Numerical and Experimental Study of Shared Mooring Systems for Prototype Floating Wind Farm

Guodong Liang disputerer med ph.d.-avhandlingen Numerical and Experimental Study of Shared Mooring Systems for Prototype Floating Wind Farm 26. oktober 2023.

Slik oppsummerer kandidaten selv avhandlingen

Konvensjonelle fortøyningssystemer utgjør en betydelig del av kostnadene ved en flytende havvindpark (FOWF). Konseptet med delt fortøyning ble opprinnelig foreslått for å redusere den samlede bruken av fortøyningsliner og antall ankere, ved å koble sammen nærliggende flytende havvindturbiner (FOWT-er) i en FOWF. Selv om et slikt konsept potensielt kan gi kostnadsbesparelser, har det ført til større kompleksitet i det flytende systemet, ettersom det blir et samvirke mellom bevegelsene til de sammenkoblede FOWT-ene. For å demonstrere gjennomførbarheten av delte fortøyningssystemer er det av stor interesse å forstå de grunnleggende påvirkningene delte fortøyningssystemer har på de dynamiske egenskapene til FOWF-er.

Det er begrenset forskning på detaljerte dynamiske analyser av delte fortøyningssystemer og eksperimentelle undersøkelser av FOWF-er. Denne avhandlingen tar sikte på å fylle dette kunnskapsgapet, ved å utføre numeriske og eksperimentelle studier på prototyper til dual-spar FOWF-er med delte fortøyningssystemer. Omfattende undersøkelser ble gjennomført med ulike delte fortøyningskonfigurasjoner, ulike avstander mellom turbinene, ulike vanndybder, samt varierende fortøyningsparametere, konfigurasjoner og lastscenarioer.

I den numeriske studien utvikles en modelleringsmetode for delte fortøyningsystemer ved hjelp av Irvine's elastiske catenary-teori for hengende kabler. Denne danner grunnlaget for fortøyningsstivhetens linearisering og egenverdianalyse for FOWF-er med delte fortøyningsystemer. For en dual-spar FOWF er den grunnleggende delte fortøyningskonfigurasjonen en delt fortøyningsline som kobler to FOWT-er sammen. Innflytelsen av den delte fortøyningslinen på systemets naturlige perioder og egenmoder undersøkes gjennom sammenligning med en enkelt spar FOWT. Undersøkelsen viser den store innflytelsen fra den delte linen på de naturlige periodene til frihetsgadene (DOF) representert ved jaging (surge) and svaiing (sway) til spar-plattformene, på grunn av den dominerende fortøyningsstivheten i de relevante termer for gjenopprettingsstivheten. Videre viser det seg at de naturlige periodene til disse frihetsgradene er følsomme for variasjoner i fortøyningsegenskapene til både de enkelte linene som forbinder FOWT-ene til havbunnen og den delte linen som forbinder tilstøtende FOWT-er. Den grunnleggende delte fortøyningskonfigurasjonen modelleres deretter med et numerisk simuleringverktøy for å utføre fullt koplet tidsdomene-simuleringer under varierte lastkondisjoner. En sammenligning med en enkelt spar FOWT viser større bevegelsesomfang og dynamiske bevegelser av FOWT-er i FOWF, sammen med høyere strekk-kraft i de enkelte linene. Den delte linen opplever høy dynamisk strekk-kraft og «snap loads». Den undersøkte fortøyningskonfigurasjonen viser sensitivitet for lastretninger på grunn av sin iboende asymmetri. Et alternativt fortøyninssystem er også undersøkt der tilstøtende FOWT-er er koblet sammen med en delt fortøyd bøye i tillegg til at de enkelte linene til ankerne er byttet ut med hengende liner til egne individuelle flytende bøyer som videre har en strekk forbindelse ned til et eget anker. Gjennom dynamiske analyser under ulike lastscenarioer og sammenligning med den grunnleggende delte fortøyningskonfigurasjonen, konkluderes det med at det alternative delte fortøyningsystemet med fortøyd bøye kan oppnå en betydelig reduksjon i strekk-last nivåer på alle fortøyningsliner. I tillegg til å redusere potensielle risikoer knyttet til «snap-load» belastninger, med et kompromiss for økt gjennomsnittlig bevegelsesradius og dynamiske bevegelser av FOWT-ene. Derfor er det foreslåtte delt fortøyningsystemet med delt fortøyd bøye en foretrukket løsning for fremtidige anvendelser som involverer delte kabelsystemer, der begrensningene i bevegelsesradiusen til FOWT-ene blir mindre kritiske.

En hydrodynamisk modelltestkampanje er gjennomført for dual-spar FOWF-er med ulike delte fortøyningssystemer. Eksperimenter for å undersøke dynamiske egenskaper er utført,samt eksperimenter med regelmessige og uregelmessige bølger under ulike last betingelser. Detaljerte fysiske modelleringer av FOWT-er og delte fortøyningsystemer er dokumentert. Gjennom sammenligning med resultatene fra en tidligere testet enkelt spar FOWT, er funnene fra den numeriske studien verifisert. En klumpvekt blir introdusert ved midtpunktet av den delte linen i den grunnleggende delte fortøyingskonfigurasjonen, og effektene blir undersøkt gjennom en sammenlignings analyse. I denne analysen undersøkes naturlige perioder, bevegelsesrespons og linenes strekk-kraft før og etter inkluderingen av klumpvekten. Den tilføyde klumpvekten fører til en reduksjon i naturlige perioder for horisontale frihetsgrader og redusert dynamisk bevegelse for FOWT-ene. Til tross for en økning i forspenning i alle fortøyningsliner, reduseres dynamisk strekk-kraft i disse linene, og et redusert antall «snap-load» hendelser i den delte linen observeres.

Oppsummert undersøker denne avhandlingen delte fortøyningsystemer for prototyper av dual-spar FOWF-er ved hjelp av numeriske og eksperimentelle tilnærminger. En kvasi-statisisk modelleringsmetode for delte fortøyningsystemer er utviklet og anvendt. De dynamiske egenskapene til fem forskjellige delte fortøyningskonfigurasjoner for FOWF-er presenteres og evnen til å opprettholde forventet posisjon blir fremhevet i sammenligningen. Disse forskningsresultatene bidrar til å styrke den nåværende forståelsen og utvide den eksisterende kunnskapsbasen knyttet til delte fortøyningsystemer. Analysemetodene som er utviklet og benyttet i denne studien kan videre benyttes i design og optimalisering av FOWF-er.

Mer om tid og sted for disputasen finner du her.