Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/9039
Title: Τρισδιάστατη αριθμητική προσομοίωση υδροδυναμικής συμπεριφοράς πλωτής ανεμογεννήτριας τύπου spar-buoy σε θαλάσσιους κυματισμούς
Other Titles: Numerical simulation of fluid-structure interaction between sea waves and a spar-buoy wind turbine platform
Authors: Μακρυγιάννης, Γεώργιος
Keywords: Πλωτή πλατφόρμα στήριξης ανεμογεννήτριας
Σημαντήρας τύπου ιστού
Θαλάσσιοι ανεμογενείς κυματισμοί
Keywords (translated): Floating wind turbine
Spar-buoy platform
Wave loads
Fluid-structure interaction
Abstract: Αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της κίνησης μιας πλωτής πλατφόρμας στήριξης ανεμογεννήτριας και των φορτίσεων που αυτή δέχεται λόγω των κυματισμών (Fluid Structure Interaction [FSI]). Γενικά, μια πλωτή πλατφόρμα έχει τη δυνατότητα κίνησης - γραμμικής και περιστροφικής - και ως προς τους τρεις άξονες του χώρου (x, y, z). Επίσης, υπάρχουν διάφοροι τύποι πλωτών πλατφορμών στήριξης, καθένας από τους οποίους προσδίδει με διαφορετικό τρόπο την επιθυμητή σταθερότητα στην κατασκευή. Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκε ο σημαντήρας τύπου ιστού (spar - buoy) ως πλωτή πλατφόρμα στήριξης της ανεμογεννήτριας, ενώ από τους ανωτέρω δυνατούς τρόπους κίνησης εξετάστηκαν η γραμμική κίνηση κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα z (heave motion) του πεδίου και η περιστροφική κίνηση γύρω από τον εγκάρσιο άξονα y (pitch motion) αυτού, αντίστοιχα. Οι κινήσεις αυτές μπορούν να μεταβάλλουν σημαντικά το πεδίο ροής που δημιουργείται γύρω από το σώμα της πλωτής πλατφόρμας, επηρεάζοντας αρνητικά τη λειτουργία της. Κάθε κίνηση εξετάστηκε ξεχωριστά σε διάφορες συνθήκες φόρτισης και εξήχθησαν συμπεράσματα για το πεδίο ταχυτήτων, πιέσεων και στροβιλότητας που αναπτύσσονταν στην κατασκευή. Ειδικότερα, μελετήθηκε η συμπεριφορά της πλωτής πλατφόρμας σε τρεις διαφορετικές συνθήκες που χαρακτηρίζονταν από: (α) ύψος κύματος H = 2 m και περίοδο T = 6 s, (β) ύψος κύματος H = 5.42 m και περίοδο T = 7.55 s και (γ) ύψος κύματος H = 8.23 m και περίοδο T = 7.55 s. Η τελευταία περίπτωση φόρτισης αποτελούσε το μέγιστο ύψος κύματος για περίοδο επαναφοράς πενήντα (50) ετών. Προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά της πλωτής πλατφόρμας στις παραπάνω συνθήκες, χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πακέτο ANSYS v.13. Έτσι, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης με κατάλληλες διαστάσεις μέσω της εφαρμογής Design Modeler, καθώς και ένα υπολογιστικό πλέγμα μέσω της εφαρμογής ANSYS Meshing, ενώ στη συνέχεια η κάθε περίπτωση επιλύθηκε αριθμητικά με τη βοήθεια του λογισμικού FLUENT. Στην αριθμητική αυτή επίλυση χρησιμοποιήθηκε η θεωρία κυμάτων Stokes 3ης τάξης προκειμένου να περιγραφούν οι μη γραμμικοί κυματισμοί με τους οποίους φορτίζονταν η κατασκευή, η τεχνική του μοντέλου Volume of Fluid (VOF) για την περιγραφή της ελεύθερης επιφάνειας του νερού, το μοντέλο SST k - ω για το κλείσιμο της τύρβης, ενώ σε κάθε υπολογιστικό βήμα του προγράμματος FLUENT επιλύονταν οι εξισώσεις RANS (Reynolds Averaged Navier – Stokes). Επιπλέον, μέσα από το περιβάλλον του προγράμματος FLUENT και ειδικότερα στην αρχή κάθε υπολογιστικού βήματος, καλούνταν ένας κώδικας γραμμένος σε γλώσσα προγραμματισμού C++ στον οποίο περιέχονταν πληροφορίες που αφορούσαν το πλήθος των κινήσεων που μπορεί να εκτελεί κάθε φορά η πλωτή πλατφόρμα, τη μάζα και τις ροπές αδρανείας της. Όσον αφορά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι δεν παρατηρήθηκε αποκόλληση της ροής για καμία από τις συνθήκες φόρτισης που εφαρμόστηκαν, ακόμα και για αυτήν που χαρακτηρίζονταν από την τιμή του ύψους κύματος HS = 8.23 m, που αποτελούσε το μέγιστο ύψος κύματος που δύναται να εμφανιστεί για μια περίοδο επαναφοράς πενήντα (50) ετών. Επιπλέον, όσον αφορά την περιστροφική κίνηση της πλωτής πλατφόρμας, η μέγιστη ανθωρολογιακή τιμή της γωνίας περιστροφής της σημειώθηκε κατά τη διάρκεια της πρώτης περιόδου του εκάστοτε κυματισμού και για τις τρεις συνθήκες φόρτισης, ενώ αντίστοιχα η μέγιστη ωρολογιακή τιμή της σημειώθηκε κατά τη διάρκεια της τελευταίας περιόδου αυτού. Επίσης, οι μεγαλύτερες τιμές της γωνίας περιστροφής της πλωτής πλατφόρμας καταγράφηκαν για το μεγαλύτερο ύψος κύματος (HS = 8.23 m), ενώ αντίστοιχα οι μικρότερες για το μικρότερο ύψος κύματος, H = 2 m. Τέλος, όσον αφορά τη συμπεριφορά της πλωτής πλατφόρμας κατά τη διάρκεια της γραμμικής κίνησής της κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα z του πεδίου, από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι η μεταβολή της θέσης της κατά τη διάρκεια του συνολικού χρόνου προσομοίωσης παρουσίαζε και στις τρεις συνθήκες φόρτισης μια περιοδικότητα, με συχνότητα ωστόσο που διέφερε από τη συχνότητα του κυματισμού με τον οποίο φορτιζόταν η κατασκευή. Μάλιστα, παρατηρήθηκε ότι τόσο για το ύψος κύματος HS = 8.23 m, όσο και για τα ύψη κύματος H = 5.42 m και H = 2 m, η μέγιστη μετατόπιση της πλωτής πλατφόρμας από τη θέση ισορροπίας της ήταν 2 m. Άξια αναφοράς, επίσης, είναι αφενός το γεγονός ότι και στις τρεις συνθήκες φόρτισης η μέγιστη μετατόπιση της πλωτής πλατφόρμας από τη θέση ισορροπίας της σημειώθηκε περίπου στο ίδιο χρονικό σημείο, αφετέρου ότι ολόκληρη εν γένει η συμπεριφορά της ήταν παραπλήσια, πράγμα που φανερώνει ότι η αύξηση του ύψους κύματος από τα 2 m στα 8.23 m δεν επηρέασε τη γραμμική κίνησή της σε τέτοιο βαθμό όπως συνέβη με την περιστροφική κίνησή της.
Abstract (translated): The object of this study was the investigation of the fluid structure interaction (FSI) due to the motion of a floating wind turbine under wave loading. In general, a floating wind turbine undergoes translational (surge, sway, heave) and rotational (pitch, roll, yaw) motions in space with respect to all three axes (x, y, z). There are different ways to support a wind turbine on a floating platform. In this study, the spar-buoy concept was chosen to support the wind turbine on the floating platform, and its heave and pitching motions were examined. We studied the behavior of the wind turbine platform in three different wave conditions: (i) wave height H = 2 m and wave period T = 6 s, (ii) wave height H = 5.42 m and wave period T = 7.55 s and (iii) wave height H = 8.23 m and wave period T = 7.55 s. The last loading case corresponds to a typical wave condition in the Aegean Sea with a return period of fifty (50) years. The method which was followed in the above investigation was based on the numerical solution of the three dimensional U-RANS equations under the ANSYS FLUENT software. Firstly, an appropriate model was developed using the Design Modeler application of the ANSYS v.13 software and afterwards a computational geometry mesh was created using the ANSYS Meshing application of the ANSYS v.13 software. Moreover, we utilized the Volume of Fraction (VOF) method of ANSYS FLUENT software in order to track the free surface during simulation while turbulence was closed with the Shear-Stress Transport (SST - k ω) turbulence model. Finally, the incoming waves were approximated with the third order Stokes wave theory while the dynamic mesh technique was utilized due to the relevant motion between the floating platform and the fluid. As regards the results, it was found that no flow separation occurs even for the extreme wave condition with a return period of fifty (50) years since typical wind turbine diameter is larger or of the same order with the wave height. Moreover, the maximum counter - clockwise value of the turbine rotation angle during its rotational motion around the lateral y-axis of space was recorded during the first period of each wave for all three load conditions while, correspondingly, the maximum clockwise value of the turbine rotation angle was recorded during the last period. The largest values of the wind turbine rotation angle were obtained for the largest wave height (H = 8.23 m), while the smallest values of the wind turbine rotation angle were recorded for the smallest wave height (H = 2 m) respectively. Finally, the results for the wind turbine behavior during its translational motion along the vertical z-axis of space show that in all cases the change in the wind turbine position during the total simulation time presented a certain periodicity, with a frequency that differed from the incoming wave frequency. It was also observed that for wave height H = 8.23 m as well as for both wave height H = 5.42 m and wave height H = 2 m, the maximum translational movement of the wind turbine platform from its balance position was 2 m. Therefore, the heave motion of the spar-buoy platform depends weakly on the wave characteristics.
Appears in Collections:Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Makrygiannis(civ).pdf8.36 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.