Analyse av halvt nedsenkbar offshore vindturbin ved bruk av 3DFloat

Abstract

This thesis is part of the development of the simulation-tool 3DFloat. 3DFloat is designed for simulations of the dynamic response off offshore wind turbines. The main part of the thesis is based on the floating half submersible wind turbine OO Star Wind Floater, developed by Dr. techn. Olav Olsen AS. In 2013 it was conducted experimental tests on a scale model of OO Star Wind Floater at Ecole de Centrale de Nantes(ECN). In this thesis the experimental results from these tests were analyzed and simulated in 3DFloat, by intention to obtain consistency between the numerical and experimental results. The thesis is also based on tests carried out on an isolated mooring line preformed by ECN. The tests were then compared against a new simulation code and results from 3DFloat. The objective of the thesis was to develop a simulation setup in 3DFloat for OO Star Wind Floater reflecting the experimental results from tests preformed by ECN, and comparing numerical results from 3DFloat for an isolated mooring line against experimental results. The work process started studying relevant literature and learning to use 3DFloat as a simulation tool. Further it was developed a python-script where all the experimental data were plotted and the quality of each individual test rated. Two different inputfiles for 3DFloat were developed for the numerical simulations. Each single inputfile corresponded to the layout for the given experimental tests. In order that the numerical simulations to match the experimental , it has been adjusted empirical coefficients for added mass and drag, using theory and iterative testing. First it was performed numerical simulations which started with forced motion and regular waves with fixed hull. When the coefficients provided good results, the coefficients were tested against regular waves with mooring lines. In the project's final phase it was conducted simulations on an isolated mooring line. The results from the numerical simulations were then compared against experimental results. Added mass of 280 kg and a dragcoefficient at 13 in heave, as well a global added masscoefficient of 2 and a global dragcoefficient of 0,7 provides good consistency between the experimental and numerical results for OO Star Wind Floater. Further, the numerical results in 3DFloat with isolated mooring line provided good consistency with the experimental results.

Oppgaven er et ledd i utviklingen av simuleringsverktøyet 3DFloat. 3DFloat er spesielt designet for simuleringer av den dynamiske responsen av offshore vindturbiner. Hovedvekten av oppgaven tar utgangspunkt i Dr. techn. Olav Olsen AS sin flytende halvt nedsenkbar vindturbin OO Star Wind Floater. I 2013 ble det utført eksperimentelle forsøk på en skalamodell av OO Star Wind Floater ved Ecole de Centrale de Nantes(ECN). I oppgaven er de eksperimentelle resultatene fra forsøkene analysert og simulert i 3DFloat, ved den hensikt å få samsvar mellom de numeriske og eksperimentelle resultatene. Oppgaven tar også utgangspunkt i tester utført på en isolert forankringsline ved ECN, hvor de eksperimentelle dataene blir sammenlignet med numeriske resultater fra 3DFloat. Målet med oppgaven har vært å utvikle et simuleringsoppsett i 3DFloat for OO Star Wind Floater som gjenspeiler de eksperimentelle resultatene fra testene ved ECN, samt sammenligne numerisk resultater fra 3DFloat for en isolert forankringsline mot eksperimentelle resultater. Arbeidsprosessen startet med å studere relevant fagstoff og sette seg inn i bruken av 3DFloat som simuleringsverktøy. Videre ble det utarbeidet et python-script hvor alle de eksperimentelle dataene ble plottet og kvaliteten av hver enkel test vurdert. Deretter ble det laget to forskjellige input-filer for 3DFloat for de numeriske simuleringene. Hver enkel inputfil samsvarer med modelloppsettet til de gitte eksperimentelle forsøkene. For at de numeriske simuleringene skulle samsvare med de eksperimentelle, har det blitt bestemt empiriske koeffisienter for addert masse og drag ved hjelp av teori og iterativ testing. Først ble det utført numeriske simuleringer som startet med tvungen bevegelse og regulære bølger med fast skrog. Da koeffisientoppsettet ga tilfredsstillende resultater, ble koeffisientoppsettet testet mot regulære bølger med forankringsliner. I prosjektets avsluttende fase ble det gjort simuleringer av en isolert forankringsline. De numeriske resultatene fra simuleringene ble deretter sammenlignet mot eksperimentelle resultater fra ECN. Addert masse på 280 kg og en dragkoeffisient på 13 i heave-retning, samt en global addert massekoeffisient på 2 og en global dragkoeffisient på 0,7 gir godt samsvar mellom de eksperimentelle og numeriske resultatene for OO Star Wind Floater. For videre arbeid anbefales det å se nøyere på dempingen, da dragkoeffisienten for heave-retning muligens kan nedjusteres. Videre ga de numeriske resultatene i 3DFloat med isolert forankringsline godt samsvar med de eksperimentelle resultatene.