A two-dimensional experimental study relevant for drift loads of moored offshore structures and ships in beam-sea regular waves

Abstract

Nøyaktige forutsigelser av de ikke-lineære hydrodynamiske effektene forbundet med bølgedriftskrefter er essensielle for å sikre trygge fortøyningssystem for offshore-konstruksjoner som FPSOer. Nylige arbeid med ikke-lineære numeriske bølgetanker, blant dem arbeidet til Hanssen (2019), mangler eksperimentelle resultater av høy kvalitet resultatene kan sammenlignes mot. Et todimensjonal (2D) eksperiment utført av Nojiri og Murayama (1975) brukes ofte, selv om mange viktige detaljer om eksperimentets oppsett og prosedyrer var dårlig dokumentert og dessuten bare på japansk.

Målet med denne avhandlingen er å bidra med godt dokumenterte eksperimentelle resultater angående bølgedriftslaster, som både gjenskaper og utvider eksperimentene utført av Nojiri og Murayama på et tverrsnitt av en skrogformet konstruksjon i regulær sidesjø. Kreftene på konstruksjonen har blitt kvantifisert i Scenario A – Fastlåste forhold, mens både krefter og bevegelser har blitt kvantifisert i Scenario B - Fritt flytende forhold og Scenario C - Fritt flytende forhold med begrensede frihetsgrader.

Eksperimentene ble gjennomført i en relativt liten 2D bølgetank. En modell ble bygget i en noe mindre skala enn Nojiri og Murayama, etter nøye betraktninger av de mange aspektene ved skalerte modellforsøk. Prosessen med å kalibrere regulære bølger i bølgetanken ble grundig gjennomført og dokumentert.

En fastlåst og solid rigg med en enkelt lastcelle ble bygget for Scenario A. For Scenario B og C, ble det konstruert en separat rigg som ved hjelp av lineærføringer tillot modellen å bevege seg fritt i svai, hiv og rull, men med en fjærstivhet i svai. Denne riggen tillot også å enkelt låse av individuelle frihetsgrader. Grundige undersøkelser ble gjort for å verifisere de dynamiske egenskapene til systemet med modellen koblet til de to riggene.

Effektive og pålitelige rutiner for prosessering av resultatene fra eksperimentene er blitt implementert i Python-skript. Skriptene definerer automatisk ”steady-state”, og gjennomfører analyser av frekvens-innholdet i de målte tidsseriene. Systematiske usikkerhetsanalyser, som inkluderte både presisjonen til sensorer og observert variasjon mellom repetisjoner, ble også gjennomført automatisk.

For å sikre nøyaktige målinger av modellens bevegelser, ble det utviklet og implementert en metode som benyttet seg av ett enkelt kamera og visuelle ArUco-markører festet på modellen. Metoden tok hensyn til både lysbøyning og dybde i synsfeltet.

Resultatene for første-ordens krefter og bevegelser var i generelt god overenstemmelse med lineære teoretiske resultater og tidligere publiserte numeriske resultater. Bølgedriftlastene målt direkte på modellen i både Scenario A og B, stemte godt overens med teoretiske bølgedriftslaster basert på en tilnærmet andre-ordens teori fra Maruo (1960). Ved å begrense enkelte frihetsgrader (Scenario C) ble det bekreftet betydelig kobling mellom svai og rull.

Accurate predictions of the nonlinear hydrodynamic effects associated with drift forces are important for the safe design of moored offshore structures, such as FPSOs. Recent work on novel nonlinear numerical wave tanks, among others the work of Hanssen (2019), lack high-quality experimental results to validate against. An old two-dimensional (2D) experiment performed by Nojiri and Murayama (1975) is often used, even though many important details of the experimental setup and procedures were insufficiently documented and only available in Japanese.

The main objective of the thesis is to provide well-documented experimental results, replicating and expanding upon the two-dimensional case of Nojiri and Murayama of the cross-section of a ship-shaped structure in beam-sea regular waves and quantify the resulting forces and motions, in particular the mean wave drift loads, in three unique scenarios: Scenario A - Fixed conditions, Scenario B - Freely floating conditions, and Scenario C - Freely floating conditions with restricted degrees of freedom.

The experiments were performed in a relatively small 2D wave flume. After thorough considerations of the various aspects of choosing a model scale, a model was built in accordance with the Froude-scaled geometrical and inertial properties of the model used by Nojiri and Murayama (The N&M-case). The process of calibrating a defined set of regular incident waves in the wave flume was meticulously performed and well documented.

A stiff rig with a single load cell was constructed for Scenario A. A novel rig making use of linear guides designed for 3D-printers was designed and constructed for Scenarios B and C, allowing the model to move in sway, heave and roll only, with a restoring force in sway. Static offset and decay tests were performed to evaluate the stiffness, damping, and inertial properties of the built model and the rigs. Reliable post-processing routines have been established and incorporated into Python-scripts, automatically defining steady-states as well as extracting first- and higher-order loads and responses by frequency-content analysis. These scripts also performed systematic uncertainty analysis including sensor precision and variation across repetitions for all presented results.

To ensure precise measurements of the rigid-body-motions, a method using a single camera and ArUco visual markers from OpenCV was developed and successfully implemented in the Python-scripts. The method also accounted for refraction of light and depth perception effects.

The results were generally in good agreement with linear theoretical results and Hanssen’s numerical results for the first-order forces and motions. Regarding the mean wave drift loads, theoretical results based on the second-order theory of Maruo (1960) aligned well with the directly measured forces acting on the model in both fixed and freely floating conditions. The restriction of single degrees of freedom confirmed significant sway-roll coupling.