Fluid-Structure Interaction Analysis and Design of Extreme Wave Slamming of Floater Columns for a Semisubmersible FOWT

Abstract

Bølgeslag som kommer av ekstreme sjøtilstander er et kritisk fenomen i marin teknikk, særlig med tanke på design og sikkerhet av havstrukturer. Det refererer til det plutselige sammenstøtet av bølger mot en struktur, ofte resulterende i høyintensive krefter med en kort varighet. Disse kreftene kan forårsake betydelig strukturell skade, fra lokale deformasjoner til katastrofale feil. Å forstå mekanikken bak dette fenomenet er essensielt for å kunne forutsi belastningene på marine strukturer og for å utvikle robuste designstrategier som sikrer deres integritet og motstandsdyktighet.

Denne masteroppgaven inkluderer en gjennomgang av tidligere forskning av analytisk og numerisk analyse av store bølgeslag, inkludert relevante regler og forskrifter. Flere analytiske modeller er tilgjengelige, men er preget av antagelser som kan påvirke resultatene. Derfor er numerisk og eksperimentell forskning nødvendig for å sikre at de analytiske modellene produserer resultater som representerer virkelige fysiske scenarier.

Slipptestsimuleringer har blitt utført i elementmetodeprogrammet Abaqus gjennom en koblet Euler-Lagrangeprosedyre. Metoden ble validert ved å gjenskape et eksisterende eksperiment innen feltet hydroplastisitet. Sammenligningen av de to tilnærmingene avslørte noen avvik i responsens atferd, men resultatene, i dette tilfellet vertikal forskyvning, var av lignende størrelse. Derfor ble den samme tilnærmingen brukt i videre studier.

Slipptester av en del av en flytende vindturbin til havs ble også utført med varierende innslagshastighet og vinkel. Generelt sett økte responsen for en avtagende innslagsvinkel og en økt innslagshastighet, noe som stemmer godt overens med eksisterende teori og eksperimenter, og indikerer at de numeriske simuleringene fanger fysikken i problemet. Simuleringene ble sammenlignet med en analytisk modell der resultatene korresponderte godt, noe som ytterligere validerte modellen.

Til slutt ble den strukturelle delen av flyteren utsatt for en trykkimpuls fra DNV-OTG-14. Systemets atferd i form av vertikal forskyvning lignet responsen fra den koblede væske-konstruksjonsresponsanalysen gjort gjennom slipptester. Dette indikerer at begge tilnærmingene fanger den reelle atferden til systemet. Veiledningen er imidlertid tungt basert på antagelser hvor neglisjering av koblingen mellom vann og struktur er sentral. Disse effektene kan være viktige for responsen og bør studeres videre.

Slamming is a critical phenomenon in marine engineering, particularly for the design and safety of ocean structures. It refers to the sudden impact of waves against a structure, often resulting in high-intensity forces over a short duration. These forces can cause significant structural damage, from localized deformations to catastrophic failures. Understanding the mechanics of slamming is essential for accurately predicting the loads on marine structures and developing robust design strategies that ensure their integrity and resilience.

The work in this project thesis includes a review of previous work concerning the analytical and numerical assessment of slamming, including relevant rules and regulations. Multiple analytical models are available but are influenced by assumptions that may alter the results. Therefore, numerical and experimental research is necessary to ensure that the analytical models produce results that represent real-life physical scenarios.

Drop test simulations have been performed in the finite element software Abaqus through a coupled Eulerian-Lagrangian procedure. The method was validated by reproducing an existing experiment in the field of hydroplasticity. Comparing the two approaches revealed some deviation in the response's behaviour, but the results, in this case, vertical deflection, were of a similar magnitude. The same approach was, therefore, used in further studies.

Drop tests of a part of a floating offshore wind turbine were also conducted with varying impact velocity and angle parameters. In general, the response decreased for an increasing impact angle and a decreasing impact velocity, which compares well with existing theory and experiments, indicating that the numerical simulations capture the physics of the problem. The simulation was compared with an analytical model where the results corresponded well, further validating the model.

Lastly, the structural part of the floater was subjected to a pressure impulse from the DNV-OTG-14. The system's behaviour in terms of vertical deflection resembled the response from the fluid-structure interaction simulations. This indicates that both approaches capture the real behaviour of the system. The guidance is, however, heavily based on assumptions where the neglect of coupling between water and structure is central. These effects could be important for the response and should be further studied.