Study on the hydrodynamic behaviour of kelp

Abstract

Denne masteroppgaven undersøker den hydrodynamiske atferden til modellskala tangstrimler, med lengde 10cm og bredde 1cm, som ble brukt i forsøk i en vanntank utført av SINTEF i 2023. Under disse, ble bølgeog strømningsforsøk utført for tre forskjellige tettheter av tang i modellskala: 500 tang per meter, 1000 tang per meter og 2000 tang per meter. Imidlertid tillot ikke bassengforsøkene beregning av den tilleggsmassen, så tvungne oscillasjonstester for KC-verdier fra 40 til 80 og for en periode på 9.49 sekunder ble utført for å finne den. På grunn av begrensninger i vognen som ble brukt, kunne ikke resultatene for den andre tettheten analyseres. Tilleggsmassen for tangmodellen ble funnet å være 1.6 kg/m for den første tettheten og 5.7 kg/m for den tredje tettheten. For tettheter én og tre kunne Vogel-eksponenten grunnet tangrekonfigurasjon bestemmes, med Ψ = −0.68 for den første tettheten og Ψ = −0.75 for den tredje tettheten. Dragkoeffisienten ble funnet til å være konstant for den første og tredje tettheten, med verdier på henholdsvis CD = 0.45 og CD = 0.85. Bruken av FhSim-programvaren hadde som mål å verifisere om man kunne reprodusere de eksperimentelle resultatene numerisk. For strømningsforsøkene i bassenget ble det observert at man må bruke dobbelt så mye Youngs modulus på kabelen for å oppnå samme avbøyning som eksperimentelt observert. På grunn av likningen kodet i FhSim for dragkraften, som ikke tilsvarer likningen som styrer våre eksperimenter, var det imidlertid ikke mulig å konkludere på påliteligheten til den numeriske modellen for å reprodusere tvungne oscillasjoner.

Nøkkelord: Tilleggsmasse, demping, Fourier-gjennomsnitt, dragkoeffisient, rekonfigurasjon, Vogel-eksponent, Numerisk modellering, Youngs modulus.

This thesis investigates the hydrodynamic behavior of model-scale kelp strips of 10cm in length and 1cm in width, which were used in basin experiments conducted by SINTEF in 2023. During these basin tests, wave and current experiments were performed for three different kelp densities in model scale: 500 kelp per meter, 1000 kelp per meter, and 2000 kelp per meter. However, the basin tests did not allow for calculation of the added mass, so forced oscillation tests for KC values ranging from 40 to 80 and for a period of 9.49 seconds were conducted to find this value. Due to the carriage limitations, the results for the 2nd density could not be analyzed. The added mass for the kelp model was found to be 1.6 kg/m for the first density and 5.7 kg/m for the third density. For densities one and three, the Vogel exponent due to kelp reconfiguration could be determined, with Ψ = −0.68 for the 1st density and Ψ = −0.75 for the 3rd density. The drag coefficient was found to be constant for the 1st and 3rd densities , with values of CD = 0.45 and CD = 0.85 respectively. The use of the FhSim software aimed to verify if one could reproduce the experimental results numerically. For the current tests in the basin, it is observed that one needs to apply twice the Young’s modulus of the cable to obtain the same deflection as experimentally observed. However, due to the equation coded in FhSim for the drag force, which does not correspond to the equation governing our experiments, it was not possible to conclude on the reliability of the numerical model to reproduce forced oscillations.

Keywords: Added mass, damping, Fourier averaging, drag coefficient, reconfiguration, Vogel exponent, Numerical modelisation, Young’s modulus.