Assessment of non-linear hydrodynamic and modelling effects in a coupled analysis of floating offshore wind platforms

Abstract

For å utvikle og etablere flytende offshore vindturbiner som en suksessfull fornybar energikilde på en skikkelig måte, spiller pålitelige integrerte dynamiske analyser en viktig rolle. Objektet i denne masteroppgaven er å oppnå en konsistent og pålitelig koblet analyse ved å kombinere Wasim og Sima for prediksjoner av flytende offshore vindturbiner i bølger og vind, samt å undersøke viktigheten av å modellere de ikke-lineære kreftene på en flytende offshore vindturbin i operative og ekstreme sjøtilstander.

EMULF Delta Floater ble valgt som det flytende konseptet som skal undersøkes, og modeller i HydroD og Sima ble tildelt forfatteren av sine veiledere i DNV. Hydrodynamiske analyser ble utført i Wadam og de hydrodynamiske koeffisientene ble importert til Sima for en fullstendig koblet tidsdomeneanalyse. Videre ble bølge kinematikk, bevegelsene av flyteren og kreftene i tårnfundamentet sendt tilbake til Wasim for potensiell strømningsteori analyse i tidsdomene. En modell som inkluderte tårnet, ble brukt i Wasim for å oppnå konsistente resultater. Dette førte til nødvendigheten av å korrigere tårnkraften fra Sima for å ikke inkludere treghet og gravitasjonskrefter. I noen tilfeller ble arbeidsflyten utvidet til å importere midlere «drift» kraft til Sima, utføre ikke-lineære analyser i Wasim og bruke foreskrevne bevegelser fra Wasim analyser tilbake til Sima.

Kompatibilitet mellom modellene i Sima og Wasim ble verifisert gjennom sammenligning av bevegelser og spektrumsanalyser av bevegelsene fra en analyse av en kondisjon uten vind og parkert turbin. Bevegelsene og spektrumanalysene sammenfalt godt mellom programmene, sett bort i fra noen forskjeller rundt de ulike egenfrekvensene. Denne sammenligningen viser at metoden og arbeidsflyten fungerer som tiltenkt.

Konsistente og gode resultater ble oppnådd for bevegelsene i jag, hive og stamp for den fullstendig lineære analysen av kondisjonen uten vind og med parkert turbin. Innføringen av vind resulterer i en betydelig forskjell i gjennomsnittsverdien for jag bevegelsen, sannsynligvis knyttet til forskjellige modellerings tilnærminger for fortøyningslinene. Inkluderingen av middel bølgedriftskraft resulterer i større bevegelser i jag, noe som er forventet. Ikke-lineære effekter resulterer i større amplituder for bøyemomentene, særlig for kondisjonen uten vind. Videre ble det observert betydlige avvik i bøyemomentet om z-aksen mellom resultater basert på foreskrevne Wasim-bevegelser og standard Sima bevegelser, tilknyttet forskjeller i prediktert gir bevegelse. Generelt har ikke-lineære analyser har en tendens til å prediktere større bevegelser, og også eksitere en topp ved egenfrekvensen i spektrumanalysen.

Forslag til videre arbeid inkluderer å modellere fortøyningslinene gjennom et eksternt dynamisk linkbibliotek og importere det til Wasim for å oppnå en mer konsistent modellerings tilnærming mellom Wasim og Sima. I tillegg er det foreslått som videre arbeid å utføre en iterativ prosess ved å fortsette Wasim-Sima-sløyfen for å inkludere konsistente ikke-lineære hydrodynamiske effekter fra Wasim og vindlaster fra Sima.

To properly develop and establish floating offshore wind turbines (FOWTs) as a successful renewable energy source, reliable integrated dynamic analysis plays an important role. The scope of this thesis is to examine three key questions related to consistency combining Wasim and Sima for predictions of FOWT's in waves and wind, and how important modeling of the nonlinear effects is for FOWTs in operative and severe conditions.

The EMULF Delta Floater was selected as the floating concept to be investigated, and models in HydroD and Sima were provided to the author from the supervisor in DNV. Hydrodynamic analysis was performed in Wadam and the hydrodynamic coefficients were imported into Sima for the fully coupled time-domain analysis. Lastly, wave kinematics, motions of the floater and auxiliary forces at the tower base are imported into Wasim for time domain potential flow analysis. A model including the tower was used in Wasim to ensure consistent results, and therefore adjusting the auxiliary forces from Sima to exclude inertia and gravity terms was necessary. In some cases, the workflow included importing the mean drift force into Sima for standard Sima analysis and conducting both linear and nonlinear analyses in Wasim. Additionally, Sima analyses using prescribed motions from these Wasim analyses have been conducted. Some cases are also investigated by conducting Wasim analysis alone.

Compatibility between the models in Wasim and Sima was successfully verified by comparing motions and power spectral density (PSD) plots of the motions from an analysis without wind and parked turbine. The motions and PSD plots aligned well, except for some differences around the natural frequencies. Overall, the comparison demonstrated that the method and workflow function as intended.

Consistent and good agreements were achieved in surge, heave and pitch motion under fully linear condition without wind and with a parked turbine. The introduction of wind results in a substantial difference in the mean surge value, likely due to the different modeling approach of the mooring lines. The inclusion of the mean wave drift force leads to increased surge motions, as expected. Nonlinear effects result in greater amplitudes for the bending moments at the tower base, particularly in the condition without wind. Furthermore, significant deviations in bending moments about the vertical-axis were observed between results based on prescribed Wasim motions and standard Sima, attributed to differences in yaw motion. In general, nonlinear analyses tend to predict larger motions and also induce a peak at the natural frequency highlighted by the PSD plots.

Suggestions for further work include modeling the mooring lines through an external dynamic link library (DLL) and import it into Wasim to obtain a more consistent modeling approach between Wasim and Sima. Additionally, performing an iterative approach by continuing the Wasim-Sima loop to consistently incorporate nonlinear hydrodynamic effects from Wasim and wind loads from Sima is left as further work.