Hydro-aero-elastic analysis of offshore wind turbines

Abstract

The present Ph.D. thesis aims at developing simulation tools for the integrated analysis of offshore wind turbines detailed in two parts. The first part concludes hGAST, a general fully coupled hydro-servo-aero-elastic simulation platform for offshore wind turbines. It is formulated within the framework of analytic dynamics for mechanical systems. Each of its building modules, namely the aerodynamic, hydrodynamic, structural, dynamics and control, is considered separately and nonlinear couplings are applied between the interfaces. The structural part is based on the multibody dynamic formulation. Each member, or part of it in the sub-body approach, is modeled as a Timoshenko beam and solved using the Finite Element Method (FEM). The aerodynamic loads are calculated based on the Blade Element Momentum Theory (BEMT) or the free wake vortex particle method GenUVP, while hydrodynamic loading is considered either using potential theory or Morison’s equation. A dynamic mooring line model is adopted in the case of floating Wind Turbines (WT) using co-rotating truss elements defined in the FEM context as well. Any variable speed / variable pitch controller can be considered either defined by external subroutines or Dynamic Link Library (DLL) files, in most cases corresponding to linear control elements (PID). hGAST performs nonlinear time domain simulations, as well as modal and stability analysis based on a consistent linearization process. By defining the environmental conditions (wind, wave and sea current states), fatigue and extreme loads are estimated within the framework of the IEC standard.hGAST can consistently model all bottom based and floating offshore Wind Turbine (OWT) concepts for both horizontal and vertical axis rotors and is verified by code-to-code comparisons for a monopile, a jacket, a semi-submersible and a spar-buoy floater for the NREL 5MW Reference WT related to the OC3 and OC4 IEA Annexes.In engineering science terms, the present thesis:-Assesses the 3D aerodynamic effects on the behavior of offshore wind turbines by comparing the BEMT and the free wake method in the case of the spar-buoy. The main differences appear in asymmetric inflow conditions, while BEMT is on the safe side in damage equivalent loads (DELs) estimation for this concept.-Assesses the geometric nonlinear effects due to large deflections by comparing the 1st order baseline beam model to the 2nd order beam model and the sub-bodies model both accounting for geometric nonlinearities. It is concluded that the bending-torsion coupling is identified as the main drive of the differences between linear and nonlinear modeling predictions. The linear (1st order) beam modeling is still acceptable except for the torsion of the blade.The second part concerns the development of two hydrodynamic solvers. The first one, freFLOW is a hybrid integral equation method for the solution of the wave-body interaction hydrodynamic problem in the frequency domain. It is based on the Boundary Element Method (BEM), while the analytic solution is imposed at the matching boundary following a variational formulation. freFLOW can be used either as a preprocessor for hGAST providing the linear hydrodynamic operators (excitation force, added mass and damping coefficients) or as a floater design tool defining the natural frequencies and RAOs’ of the coupled floating system. The method is verified compared against numerical simulations.The second hydrodynamic tool, hFLOW is a fully nonlinear, inviscid, two dimensional solver (numerical wave tank) that solves the complete wave-body-current interaction problem. It is based on BEM and the mixed Eulerian-Lagrangian method. The wave is generated either by simulating the wave generator’s physical motion or by matching along the inflow vertical boundary the steam function wave solution. In the latter case, the modified implementation of the matching procedure permits the generation and the propagation of strongly nonlinear periodic waves (~90% of maximum height) in shallow, intermediate and deep water depths for more than 100 wave periods, with or without the inclusion of a steady current. Wave absorption at the end of the tank is added using damping layers. Moreover, the simulation of free-floating bodies is performed using the iterative method which determines the body acceleration. The motions and the drift force of a free-floating barge subjected to wave excitation are well compared against other numerical results and experiments. Moreover the method simulates overturning waves up to the breaking point by adopting linear distributions and plane elements in BEM, without applying any smoothing scheme. The solver is verified compared against theoretical, numerical and experimental data.

Ο σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων για την ολοκληρωμένη ανάλυση υπεράκτιων ανεμογεννητριών, αποτελούμενη από δύο μέρη.Σο πρώτο μέρος. στο πλαίσιο της αναλυτικής μηχανικής εφαρμοζόμενης σε μηχανικά συστήματα αναπτύχθηκε το hGAST, ως γενική πλατφόρμα για την ύδρο-σέρβο-αέρο-ελαστική προσομοίωση των υπεράκτιων ανεμογεννητριών. Τα επιμέρους πρότυπα που την απαρτίζουν, δηλαδή το αεροδυναμικό, το υδροδυναμικό, το ελαστο-δυναμικό πρότυπο και το πρότυπο αυτόματου ελέγχου εξετάζονται χωριστά και στη συνέχεια συντίθενται επιβάλλοντας κατάλληλη μη-γραμμική σύζευξη στα σημεία αλληλεπίδρασης τους. Κάθε διακριτό ελαστικό τμήμα της κατασκευής ή μέρος αυτής μοντελοποιείται με βάση τη θεωρία δοκού Timoshenko και επιλύεται με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Τα αεροδυναμικά φορτία υπολογίζονται είτε με τη μέθοδο του δίσκου ορμής είτε με τη λεπτομερέστερη μέθοδο των στοιχείων στροβιλότητας με ελεύθερο ομόρρου. Τα υδροδυναμικά φορτία υπολογίζονται μέσω επιλυτή των γραμμικών εξισώσεων της υδροδυναμικής βασισμένο στη μέθοδο των συνοριακών στοιχείων ή χρησιμοποιώντας τον ημιεμπειρικό τύπο του Morison. Το σύστημα αγκύρωσης στην περίπτωση πλωτής ανεμογεννήτριας διακριτοποιείται με μη-γραμμικά στοιχεία που υπόκεινται μόνο σε εφελκυστικά φορτία. Το σύστημα αυτομάτου ελέγχου μεταβλητών στροφών / μεταβλητού βήματος λαμβάνεται υπόψη συνήθως με κατάλληλη προσαρμογή εξωτερικών αρχείων σε μορφή βιβλιοθήκης (αρχεία DLL) και υλοποιεί ελεγκτές τύπου PI και κατάλληλα φίλτρα. Το λογισμικό hGAST πραγματοποιεί μη-γραμμικούς υπολογισμούς στο πεδίο του χρόνου, καθώς και ιδιοδιανυσματική ανάλυση και ανάλυση ευστάθειας στη βάση συνεπούς διαδικασίας γραμμικοποίησης. Καθορίζοντας την εξωτερική περιβαλλοντική διέγερση (συνθήκες αέρα, κύματος και θαλάσσιου ρεύματος) οι υπολογισμοί στο πεδίο του χρόνου επιτρέπουν την εκτίμηση των κοπωτικών και των ακραίων φορτίων της κατασκευής κατά το διεθνή κανονισμό (IEC standard).Το hGAST μοντελοποιεί όλα τα υπάρχοντα είδη βάσεων στήριξης στο βυθό καθώς και πλωτήρες για οριζοντίου και κατακορύφου άξονα ανεμογεννήτριες, ενώ πιστοποιείται σε σύγκριση με άλλα υπολογιστικά εργαλεία στα πλαίσια των ερευνητικών δραστηριοτήτων της ΙΕΑ OC3 και ΟC4. Εξετάζονται περιπτώσεις στήριξης με μονοκόμματο πυλώνα (monopile), χωροδικτύωμα (jacket), πλωτή ημιβυθισμένη πλατφόρμα (semi-submersible) και πλωτήρα τύπου «spar-buoy» όπου επάνω τους εδράζεται η NREL 5MW ανεμογεννήτρια αναφοράς.Από τεχνολογική άποψη, η παρούσα διατριβή:-Αξιολογεί τη σημασία των τριδιάστατων αεροδυναμικών φαινομένων στη συμπεριφορά υπεράκτιων ανεμογεννητριών συγκρίνοντας τις μεθοδολογίες του δίσκου ορμής και των στοιχείων στροβιλότητας στην περίπτωση πλωτής ανεμογεννήτριας σε spar-buoy πλωτήρα. Οι κύριες διαφορές εμφανίζονται σε συνθήκες ασύμμετρης εισερχόμενης ροής. Επιπλέον διαπιστώνεται ότι η θεωρία δίσκου ορμής είναι στην ασφαλή πλευρά όσον αφορά τον υπολογισμό των κοπωτικών φορτίων.-Αξιολογεί τη σημασία των γεωμετρικών μη-γραμμικοτήτων εξαιτίας μεγάλων παραμορφώσεων του πτερυγίου, συγκρίνοντας ένα τυπικό, πρώτης τάξης μοντέλο δοκού με ένα δεύτερης τάξης μοντέλο δοκού και ένα βασισμένο στην υποδιαίρεση των πτερυγίων σε «υποσώματα» (sub-bodies), όπου τα δύο τελευταία διαχειρίζονται τις γεωμετρικές μη-γραμμικότητες. Συμπεραίνεται πως το γραμμικό μοντέλο δοκού παραμένει αξιόπιστο με μοναδική εξαίρεση την πρόβλεψη της στρέψης του πτερυγίου. Η κύρια αιτία διαφοροποίησης μεταξύ του γραμμικού (πρώτης τάξης) μοντέλου και των δύο ανώτερης τάξης είναι το μη-γραμμικό φαινόμενο σύζευξης μεταξύ κάμψης και στρέψης που δεν λαμβάνεται υπόψη στο πρώτης τάξης μοντέλο δοκού.Το δεύτερο μέρος αφορά την ανάπτυξη δύο υδροδυναμικών επιλυτών. Ο πρώτος (freFLOW) επιλύει το τρισδιάστατο υδροδυναμικό πρόβλημα αλληλεπίδρασης σώματος-κύματος στο πεδίο συχνότητας με χρήση της μεθόδου συνοριακών στοιχείων και ικανοποίηση της αναλυτικής λύσης στο σύνορο συναρμογής μέσω μεταβολικής διατύπωσης. Η μέθοδος προσδιορίζει τα υδροδυναμικά χαρακτηριστικά των πλωτήρων τα οποία εισάγονται στον κώδικα hGAST για την ανάλυση των πλωτών ανεμογεννητριών. Επίσης προσδιορίζει τις ιδιοσυχνότητες και τις κινήσεις της πλωτής κατασκευής - βασικές παράμετροι σχεδιασμού πλωτών κατασκευών. Η πιστοποίηση της μεθόδου γίνεται σε σύγκριση με αντίστοιχους αριθμητικούς υπολογισμούς.Ο δεύτερος επιλύτης (hFLOW) επιλύει το μη-γραμμικό, μη συνεκτικό, δισδιάστατο πρόβλημα αλληλεπίδρασης κύματος-σώματος-ρεύματος βασισμένος στη μέθοδο των συνοριακών στοιχείων και την μεικτή Eulerian-Lagrangian διατύπωση. Το κύμα δημιουργείται είτε προσομοιώνοντας τη φυσική κίνηση του κυματιστήρα είτε θέτοντας στο σύνορο εισόδου τη λύση από τη stream function θεωρία. Σχετικά με τη δεύτερη επιλογή η τροποποιημένη υλοποίηση της συναρμογής στο σύνορο εισόδου, επιτρέπει τη δημιουργία και διάδοση ισχυρά μη-γραμμικών περιοδικών κυμάτων (~90% του μέγιστου ύψους) με ή χωρίς σταθερό ρεύμα σε όλα τα βάθη νερού για μεγάλο αριθμό περιόδων. Ο χειρισμός των συνθηκών στο άπειρο πραγματοποιείται εισάγοντας όρους τεχνητής απόσβεσης. Για την προσομοίωση της κίνησης ελεύθερα πλωτών σωμάτων χρησιμοποιείται επαναληπτική διαδικασία προσδιορισμού της επιτάχυνσης του σώματος, που προσδιορίζει τις drift δυνάμεις με συνέπεια. Επιπλέον η μέθοδος προσομοιώνει αναδιπλούμενα κύματα μέχρι το όριο θραύσης όπου η κορυφή του κύματος ακουμπάει την ελεύθερη επιφάνεια. Η πιστοποίηση της μεθόδου γίνεται σε σύγκριση με θεωρητικά, αριθμητικά και πειραματικά δεδομένα.