Υδροελαστική ανάλυση πλωτής υπεράκτιας ανεμογεννήτριας
Creators: name: Μανταδάκης, Νικόλαος Αλέξανδρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Πλωτή υπεράκτια ανεμογεννήτρια
Υδροελαστικότητα
Γενικευμένοι βαθμοί ελευθερίας
Floating offshore wind turbine
Hydroelasticity
Generalized degrees of freedom

description: Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η γραμμική υδροελαστική ανάλυση του κυλινδρικού πλωτήρα μίας πλωτής υπεράκτιας ανεμογεννήτριας, η οποία προσιδιάζει με αυτές του αιολικού πάρκου Hywind στη Σκωτία. Στόχος είναι να εξετασθεί η επιρροή που έχει η θεώρηση ευκαμψίας του πλωτήρα στην απόκρισή του όταν αυτός πλήττεται από θαλάσσιους κυματισμούς. Ο λόγος που εκπονείται το συγκεκριμένο θέμα είναι πως σε κυλινδρικού τύπου πλωτές κατασκευές, όπου το βύθισμά τους είναι πολύ μεγάλο σε σχέση με τη διάμετρό τους, δεν έχει υπάρξει μέχρι στιγμής ιδιαίτερη έρευνα που να λαμβάνει υπόψη την ευκαμψία τους κατά την εκτέλεση της υδροδυναμικής τους ανάλυσης. Η ανάλυση έγινε στο πεδίο των συχνοτήτων με τη μέθοδο της ιδιομορφικής επαλληλίας «εν ξηρώ». Σε αυτήν τη μέθοδο η παραμόρφωση της κατασκευής περιγράφεται από γενικευμένες (καμπτικές) ιδιομορφές επιπλέον στις έξι του στερεού σώματος. Αυτές οι καμπτικές ιδιομορφές υπολογίζονται από ένα κατασκευαστικό μοντέλο στο λογισμικό Abaqus, το οποίο βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Εκεί λύνεται το ιδιομορφικό πρόβλημα «εν ξηρώ», λαμβάνοντας υπόψη ολόκληρη την εξεταζόμενη πλωτή υπεράκτια ανεμογεννήτρια (πλωτήρας, πύργος και ΔΡΑ). Εν συνεχεία, το πρόβλημα περίθλασης και ακτινοβολίας λύνεται με το λογισμικό Wamit, το οποίο βασίζεται στη μέθοδο των συνοριακών ολοκληρωτικών εξισώσεων για την επίλυση του σχετικού προβλήματος συνοριακών τιμών. Στο Wamit λαμβάνεται υπόψη μόνο το τμήμα των καμπτικών ιδιομορφών που αντιστοιχεί στο βυθισμένο κομμάτι της κατασκευής. Σημειώνεται ότι για τη μετατροπή των αρχείων εξόδου του Abaqus σε συμβατή μορφή από το Wamit, αναπτύχθηκε κατάλληλη διεπιφάνεια σε γλώσσα προγραμματισμού Python. Επιπλέον, η συμπερίληψη των καμπτικών ιδιομορφών στην ανάλυση του Wamit επιτυγχάνεται με την ανάπτυξη κατάλληλου κώδικα σε γλώσσα προγραμματισμού Fortran, η οποία είναι ενσωματωμένη στη λειτουργία του Wamit. Από τα αποτελέσματα που προέκυψαν, ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στη σύζευξη των γενικευμένων βαθμών ελευθερίας με τους πρώτους έξι και την απόκριση του πλωτήρα σε κάθε έναν από αυτούς. Η ανάλυση έγινε τόσο για την περίπτωση μονοχρωματικών κυματισμών όσο και για την περίπτωση φάσματος, δίνοντας έμφαση στα γενικευμένα υδροδυναμικά φορτία και τη γενικευμένη απόκριση των καμπτικών ιδιομορφών, καθώς και στην υδροελαστική απόκριση του πλωτήρα και τη σύζευξη των γενικευμένων βαθμών ελευθερίας με τους πρώτους έξι. Στην περίπτωση μάλιστα του φάσματος, διερευνάται και η επιρροή που έχει η περίοδος μέγιστης ενεργειακής πυκνότητας στα φάσματα διέγερσης και απόκρισης του πλωτήρα της εξεταζόμενης ανεμογεννήτριας
description: The objective of the present MSc thesis is the implementation of linear hydroelastic analysis for investigating the behavior of the spar-type supporting structure of a Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) considering its flexibility. This FOWT is similar to the ones that have been deployed in the case of the Hywind offshore wind farm in Scotland. The main motivation for dealing with this topic is that, although spar-type floating structures are characterized by a draft which is significant larger than their diameter, there are, currently, very few investigations that take into account the structural flexibility of these structures in the corresponding hydrodynamic analysis. The hydroelastic analysis is implemented in the present thesis in the frequency domain and it is based on a “dry” mode superposition approach. In this approach, the generalized (flexible) modes concept is utilized for describing the structural deformations of the floating platform additionally to the six rigid body modes. The required flexible mode shapes (bending modes) are determined through the application of a finite element method based structural model (Abaqus), where the “dry” eigenvalue problem is solved by taking into account the whole FOWT (platform, tower and RNA). The diffraction/radiation problem is solved using Wamit, which is based on the conventional boundary integral equation method for solving the relevant boundary value problem. In Wamit only the part of the flexible mode shapes that correspond to the platform is taken into account. It is noted that for converting the Abaqus output files into a compatible for Wamit format, an appropriate interface was developed using Python programming language. What is more, for including the mode shapes in Wamit analysis, appropriate code in Fortran programming language, which is embodied in Wamit function, was developed. The analysis is implemented under the action of both regular and irregular waves, while focus is given on the generalized hydrodynamic forcing and responses of the flexible modes, on the hydroelastic response of the supporting platform as well as on the coupling effects between the flexible and the rigid body modes of the examined structure. In the case of irregular waves, the effect of the peak period on the excitation and the response spectra is also analyzed and demonstrated