Hydrodynamic Loads on Offshore Wind Turbine Substructures due to Nonlinear Irregular Breaking, High Steep and Extreme Waves

Understellet til bunnfaste offshore vindmøller står for en betydelig del av den totale investeringen for denne teknologien. Detaljert kunnskap om bølger og kunnskap i å kunne forutsi bølgenes samspill med ulike understell er av vesentlig betydning for å designe den mest kostnadseffektive konstruksjonen. Dette gjelder spesielt for høye, ekstreme bølger. De dynamiske egenskapene til vindturbin-understell er helt forskjellig fra olje- og gass strukturer, derfor må dimensjoneringskriterier vurderes nærmere for denne typen konstruksjoner. Forskningen i dette prosjketet har hatt fokus på numeriske og eksperimentelle undersøkelser av hydrodynamiske belastninger på slike understell. Maksimal bølgelast forventes pga. brytende bølger. Ved Institutt for bygg, anlegg og transport ved Norsk teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU), har innvirkning av vanlige brytende bølger på vertikale sylindriske strukturer blitt studert gjennom numeriske simuleringer ved bruk av CFD-koden REEF3D (https://reef3d.wordpress.com/). Bølge kinematikk og dynamisk trykk har blitt korrelert, noe som gir ny innsikt i brytende bølge fysikk. Det samme temaet har blitt undersøkt gjennom laboratorietester utført ved Institutt for Ocean Engineering ved Indian Institute of Technology Madras (IITM), India. Aktivt samarbeid mellom de to forskningsmiljøene ved NTNU og IITM er gjennomført og samarbeidet har medført ny kunnskap. For reelle sjøtilstander, kan bølgene ikke forventes å følge vanlig bølgeteori. De er uregelmessige og består av mange individuelle harmoniske komponenter med forskjellig amplitude og frekvens. Gjennom numeriske simuleringer er hydrodynamikk av slike irregulære bølger og deres innvirkning på vertikale og horisontale sirkulære sylindere blitt undersøkt numerisk ved NTNU. Siden de ulike komponentene i det uregelmessige bølgetoget forplanter seg med ulik fart, kan ekstremt høye bølger oppstå ved visse situasjoner. En slik ekstrem bølge betegnes som en fokusert bølge, ved at flere bølgetopper av enkeltbølgene opptrer samtidig på et bestemt sted. Gjennom omfattende numeriske simuleringer, er hydrodynamikken av slike fokuserte bølger undersøkt. Deres interaksjon med vertikale sirkulære sylindre er også studert. Ved eksperimenter i bølgetanker eller bølgebassenger generes bølgene enten ved flipp eller stempelbevegelse av ei plate. Disse genereringsmekanismene er implementert i den numeriske modellen. Dette medfører at simuleringen blir eksakte simuleringer av de fysiske modellforsøkene. Dvs. ikke bare bølgespektra er reprodusert, men også det eksakte tidsforløpet til bølgene. Simuleringene er utført for ulike typer hydrodynamiske belastninger, inkludert bryte- og ikke-brytende bølger på sirkulær-sylindriske- samt fagverks-konstruksjoner. Resultatene som er produsert som en del av prosjektet, er publisert i konferanse- og journal-artikler med åpen tilgang. Offshore vindenergisektor forventes å ha nytte av dette prosjektet pga. de detaljerte undersøkelsene om ikke-lineære bølgelaster på slike konstruksjoner.

The project was carried out as planned. Researchers at IIT Madras carried out experiments in the wave flume to estimate the breaking wave loads for regular, irregular and focused waves. They provided valuable inputs for the development of the numerical model REEF3D at NTNU. The numerical investigation was conducted at NTNU by the PhD and Post-doctoral candidates, in order to validate REEF3D with experimental data and further investigate breaking wave characteristics and associated wave loadings on monopole and jacket structures. The team at SINTEF Ocean conducted validation studies with REEF3D using in-house experimental data. The results produced are published in open-access conference and journal articles, which could be used by the offshore wind energy for the substructure design. This project has helped in increasing the cooperation among IIT Madras, SINTEF Ocean and NTNU and have presented an opportunity to meet other potential project partners in the future.

Offshore wind turbine (OWT) substructures account for an important share of the total investment of this technology. Hence, the hydrodynamic knowledge concerning the wave kinematics and their interaction with different structures are of a great importance to design the most cost effective support structure. Understanding and predicting the shallow and intermediate water kinematics and in particular their interaction with OWT substructures are important for the global design of OWT. The dynamic characteristics of the wind turbine substructures are completely different from oil and gas structures. Hence, the design methods and guidelines need to be investigated in detail for offshore wind turbine substructures. Hence, the proposed research focuses on an accurate assessment of hydrodynamic loads on OWT substructures due to nonlinear irregular breaking waves, high steep and extreme waves. The laboratory experiments will be performed at the Department of Ocean Engineering at the Indian Institute of Technology Madras (IITM), India for selected OWT substructures in order to evaluate the wave-structure interaction characteristics due to breaking, steep and extreme waves. This will focus on the measurement of the dynamic pressures, wave-run up, wave height distribution and wave forces on the selected OWT substructures in intermediate and shallow water conditions. Numerical investigation will be carried out at the department of Civil and Transport Engineering at the Norwegian University of Science and Technology on the wave characteristics and associated forces on OWT structures due to irregular breaking, high steep and extreme waves. The outcome of the proposed research will give a great insight into the estimation of hydrodynamic loads and enhancing the understanding of the irregular breaking and extreme wave forces on OWT substructures and also useful in various stages of offshore wind farm development such as site selection, installation, commissioning and maintenance.