Tilbake til søkeresultatene

PETROMAKS2-Stort program petroleum

CHARACTERIZATION OF WAVE IMPACT SPRAY GENERATION FOR BETTER PREDICTION OF MARINE ICING ON STRUCTURES

Alternativ tittel: KARAKTERISERING AV BØLGESLAG-INDUSERT SPRAY FOR BEDRE BEREGNINGER AV MARINE ISING PÅ KONSTRUKSJONER

Tildelt: kr 13,9 mill.

SPRAYICE-prosjektet er nå fullført. Isdannelse fra sjøsprut er en av de store utfordringene for offshore operasjoner grunnet økt sikkerhetsrisiko og operasjonelle utfordringer. For å redusere risiko trengs det bedre vitenskapelig kunnskap for å utvikle modeller som kan estimere effekten av økt is-last med brukbar nøyaktighet. Sjøsprut formes når luftemperaturen er under frysepunktet når bølger slår mot skrog av skip og faste installasjoner, som brytes opp til vanndråper som treffer overflaten og fryser. Størrelsene på dråpene varierer fra centimeter til mikrometer. De store dråpene kan måles, men det mangler fremdeles empiriske data til å validere modeller for de minste størrelsene som er på mikrometer skala. Dette er på grunn av nødvendigheten av avansert og dyrt utstyr for å utføre slike målinger. Dette prosjektet var et samarbeid mellom termo-fluid gruppen og SINTEF Industri. Hos NTNU var forskningsfokuset på å utvikle nye metoder for å identifisere dråper på mikrometerskala ved bruk en enkelt koherent lyskilde som muliggjør måling av dråpestørrelser og annen statistikk for sjøsprut. Dette er gjort som et første steg mot å skaffe viktig empirisk data om størrelser av dråper dannet under varierende forhold som er nødvendig som inndata i matematiske modeller for å predikere isdannelse. Forskningen hos SINTEF har fokusert på beregningsvertøyene for å forutse bølgesammenstøt og dråpeformasjon. Hovedmålene for prosjektet ble oppnådd og utviklingen av flere nye eksperimentelle og numeriske metoder var vellykket. Det var noen mindre avvik på grunn av uforutsette utfordringer som kommer med forskning, men avvikene førte også til ekstra kunnskap og nye metoder, som for eksempel en robust partikkel-identifiserings metode som gir Lagrangian statistikk fra spray. Ved NTNU har Ph.D. studenten Vipin Koothur utviklet en ny metode for å følge og måle størrelsen på partikler ved god hjelp fra postdoktor Dr Melissa Kozul. Metoden ble utviklet og testet på syntetiske data som benyttet seg av offentlig tilgjengelige databaser fra direkte numeriske simmuleringer (DNS) av turbulente strømninger. Partikler ble deretter tilført i strømningen numerisk, noe som ble benyttet til bench-mark testing av metoden. Denne nye måten å utvikle numerisk eksperimentelle metoder på muliggjør identifisering av nøkkelparametere som kan bidra til å optimalisere metodene før utføring av ekte eksperimenter. Den viktigste forskjellen mellom eksisterende partikkelgjenkjenningsmetoder, som ofte baserer seg på punkt- eller to-dimensjonale målinger, er todelt. Denne metoden trenger kun en lyskilde, som i vårt tilfelle er en høyhastighetslaser. I tillegg gir vår metode volumetriske data, noe som er en signifikant forbedring med tanke på økning av informasjon. Metoden har også blitt validert mot eksperimenter utført i en turbulent strømning med monodispersjon og polydispersjon av tilførte sfæriske partikler. Et datasett av spray som følge av bølgesammenstøt er tatt, men postprosessering vil ikke bli fullført innen tidsrammene for Ph.D.-midlene. Dette arbeidet vil bli fullført og publisert gjennom nye masterstudenter finansiert av interne forskningsmidler når de er tilgjengelige. Ved SINTEF har Ph.D. studenten Son Tung Dang utviklet og validert en generisk løser for tofasestrømning som kombinerer kartesisk cut-cells og forskjøvet rutenett for å sørge for masse og energibevarelse, noe som er utfordrende ved alternative metoder for multifase strømning. En modell for dråpesplittelse ble implementert i softwaret SIMCOFLOW som kan simulere dråper produsert som et resultat av bølgesammenstøt mot solide overflater. I modellen blir ikke individuelle dråper oppløst, de blir i stedet behandlet som Lagranske dråper som følger det større storskala grensesnittet (innfangede dråper). De innfangede dråpene driver fysisk massestrøm som eroderer væsken ved gass-væske grensesnittet. Størrelsen av de innfangede dråpene er beregnet basert på modellering av oppbrytning av væskeflak hvor sekundærdråpesplittelse også er tatt i betraktning. Dråpene er behandlet som Lagrangian partikler som påvirker strømningen gjennom en toveis momentkobling. Fremtidig arbeid vil være å videreutvikle modellen til å fange frysing av dråpene som deretter danner is. Dette vil muliggjøre simuleringer av marin ising grunnet bølgesammenstøt. Begge Ph.D. studentene skal ferdigstille og sende inn oppgavene sine innen vår/sommer 2020. Prosjektet har oppnådd ny vitenskapelig kunnskap som har ført til flere publikasjoner i høyt anerkjente journaler og mange konferanseartikler. Minst to journalartikler til er ventet å bli publisert innen 2020. Metoden for å følge og måle størrelsen på partikler er offentlig tilgjengelig på wiki sidene til NTNU og simuleringsverktøyet er tilgjengelig på GitHub (https://github.com/lovfall/simcoflow).

A volumetric particle sizing method using a single coherent light source was developed using high-speed laser scanning, multi-camera set-up giving access to particle dynamics and statistics. The method will primarily impact research communities in fluid mechanics including, multi-phase flows, combustion and ocean science. Synthetic experiments were used to develop both a particle tracking method and particle sizing method and are a powerful way to optimise complex experimental techniques before implementation. The particle tracking method gives access to 3D Lagrangian statistics which are important in turbulent flows, particle/pollutant dispersion etc. Synthetic experiments are a powerful way to numerically test and optimise complex experimental techniques before implementation. The new numerical solver that was developed for three phases and will be implemented CFD tools that are widely used in the oil and gas, marine, automotive, aeronautical, renewable energy sectors.

Previously, we have been developing novel experimental techniques which enable detailed local information about spray droplets and the underlying physics. In parallel some of us have developed multiphase models and simulation tools for flow assurance in oil and gas transport lines. We further have applied multiphase flow modeling to predict icing potential on vessels and found that detail predictions are possible if the spray source due to wave impacts is known. The wave impact sprays are known as the major source of icing on structures in the Arctic, but cannot be predicted at the current stage. In this project we plan to develop new and quantitative understanding about the physics of droplet formation. By running well defined experiments in idealized geometries and measuring the details of the wave induce liquid jet, its break-up and resulting droplet flow, the physics will be revealed as function of the governing dimensionless numbers. The results from these experiments will be applied in the development of a multiphase computational method, which can predict the relevant physics on a sufficiently coarse numerical grid to allow reasonably fast 3D computations. Simulation methods for wave propagation and wave impact towards a structure in a wind field will be merged with the new wave induced spray breakup prediction, and the resulting model can be applied for predicting the complete droplet field due to a wave impact with a structure. The developed 3D model will be applied to develop two databases containing simulation data. The first database will extend the experimental data with simulated data and the result will be tried extracted in simplified models, using dimensionless number. The second database will be based on a realistic geometry and methods will be developed for fast extraction of the date for use in models which include the complete icing physics for a given construction or vessel.

Budsjettformål:

PETROMAKS2-Stort program petroleum