Enabling prediction of ice loads on structures in the Arctic

Målet med det russisk-norske samarbeidsprosjektet ICELOAD er å muliggjøre prediksjon av islaster på konstruksjoner og fartøy i Arktis. Samarbeidspartnere er SINTEF og Skolkovo Institute of Technology (Skoltech), Moskow. Prøver av sjøvann fra tre lokaliteter i Barentshavet er hentet inn av Skoltech. Dette vannet, samt destillert vann, ble testet i eksperimenter med enkelt-dråper. Her er detaljer rundt frysing av dråper i flukt, samt kollisjon med kalde dråper mot ulike overflater studert. En spesiell eksperimentell rigg med tilhørende instrumentering ble utviklet og bygget. Data fra disse eksperimentene er blitt brukt til å validere detaljerte modeller for frysing av dråper. Skoltech gjennomførte i 2021 et tokt til Barentshavet. Her ble optiske metoder for kvantifisering av struktur til havbølger og impakt-generert sjøspray utprøvd. Toktet resulterte i at betydelig video-materiale fra havbølger og sjø-spray. Et andre tokt vil bli gjennomført i 2023, men da like etter at det norske delen av prosjektet er avsluttet. En pragmatisk en-dimensjonal modell for frysing av vanndråper (reint vann) som beveger seg i kald luft er utviklet. Krystalliseringsmodellen tillater en analytisk løsning, dersom en antar uniform temperaturfordeling i den væskefylte kjerna av dråpen. Modellen ble validert ved bruk av 3D kommersiell CFD programvare. Kollisjon av delvis frosne dråper mot en fast vegg, under antagelse av plastisk deformasjon av is-skallet, ble også studert. Forholdet mellom skall-deformasjon og skall-tykkelse ble evaluert. Det ble antatt at dersom dette forholdet var større enn 1.0 så vil dråpene sette seg fast på den kalde overflata på grunn av danning av is-bruer, forårsaket av vann som blir frigjort fra dråpens vannfylte kjerne. Denne modellen har nå blitt utvidet til å behandle sjøvann, som er et fler-komponent system. Denne type approksimativ analytisk modell kan brukes i strømningsmodellen. Dette tillater raske simulering av dråpetemperatur og dråpenes tilstand når de treffer mot kalde flater. Detaljerte beregninger av dråpenes termodynamiske tilstand krever for store regneressurser til å kunne brukes i reelle applikasjoner. Strømningsmodellen er utviklet av SINTEF. Modellen kan prediktere havbølger (JONSWAP) og interaksjon med dynamiske strukturer. Dråper kan produseres fra bølge-vind interaksjon eller direkte impakt av bølger mot en konstruksjon. Prinsippene har tidligere vært testet ut i en 2D versjon av SIMCOFLOW (https://github.com/lovfall/simcoflow). Dråper kan genereres via to metoder: a) Væskestrukturer som dras ut av strømningen og som ikke lenger blir oppløst på beregningsnettverket og b) Innriving av dråper fra overflata på grunn av lokal fysikk. Data for å tilpasse og validere modellen vil bli produsert av Skoltech i 2023. Dråpene som blir produsert blir behandlet som pakker bestående av mange enkeltdråper. Dråpene som dannes kan kjøles ned og avsettes på kalde flater, eller de kan falle tilbake i sjøen. En metodikk for å lese inn *.stl geometrifiler i SIMCOFLOW er utviklet og publisert. Lest geometri-fil vil resultere i et "level-set" felt som representerer objekt-geometrien gjennom simuleringen. 3D-versjonen av SIMCOFLOW har blitt feiltrettet og dokumentert. Det er laget en STL geometri av skipet som var på tokt og som importeres i SIMCOFLOW. Skipets bevegelse representeres ved en Lagrange-modell som løser for translasjon og rotasjon. Et viktig mål har vært å komme fram til det groveste beregningsnettverket, med underliggende opprivingsmodell, som er i stand til å gjøre en tilfredsstillende jobb med å beregne dråpetilstander og masse-flukser av dråper som treffer kalde overflater på konstruksjoner eller fartøy. Modellene som er utviklet vil kunne brukes til å evaluere parameterne som påvirker bølge-indusert spray. Ved å kjøre parameterstudier, bygge database og interpolere i denne kan en få fram raske prediksjoner av tidshistorie for ankomst av bølge-indusert spray for en gitt offshore-struktur. Kildekode for CFD-modellen (3D) er publisert på github (https://github.com/SINTEF/Simcoflow3D). 2D versjoner er tilgjengelig på https://github.com/SINTEF/simcoflow.

In the project we have developed simplified methods to compute the state of water droplets at the time of hitting some cold surface. Based on this, the specific droplet's contribution to ice accretion is assessed. The thermal state of the droplet at impact is here computed from residence times, sea water and air temperatures, as well as other static data. In this way the detailed thermodynamic history of each droplet is not needed. The droplet state at impact can be computed from look-up tables or an analytical model. This allows fast calculation of trajectories of entrained droplets. Theories for droplet entrainment from ocean waves were explored and good qualitative prediction results were produced. We were invited into a meeting with the SINTEF Ocean led SLADE KPN project (wave slamming) and we had good discussions. We started to involve our Russian partner but this could not develop further due to the war on Ukraine. The project has led to interest into applying the results and technology into renewable energy sources. In ocean wind projects the understanding of forces on structures under extreme weather conditions is critical for design of durable installations. This applies to both effects of waves, wind and droplets. In addition, icing possibilities must be considered. Similarly, the same phenomena may be active in any solar-on-water arrangements. Using this new technology, it is possible to access coupled phenomena in a way that previously has been very difficult. The project has established links between Norway and Russia that are promising and could lead to extensive collaboration in this area between the two countries. Unfortunately, the war on Ukraine has set back this promising collaboration for a long time.

Ice accretion on vessels and constructions in the arctic is a significant operational challenge. The main source for water droplets come from wave impacts, and therefor there is a focus on wave induce sprays as the main source for icing. Current prediction models are extremely rough. Some more detailed attempts have been done recently by use of computational fluid dynamics (CFD). Unfortunately, the spray source cannot be related to waves, wind and geometries by existing models and this far rough source models, ignoring wave and geometry interaction, had to be applied. To be able to predict more fundamentally what happens in a given situation new physics and mathematical approaches need to be introduced. This project is a collaboration between SINTEF and Skoltech, Moscow. In this project Norway has the lead on the model development and computational work, while the Russian team has a strong focus on experimental work and providing data for model validation. The project will run over approximately 3 years and will: 1) Further develop method to simulate spray generation due to wave impacts and wind. The large scale wind-wave-structure interaction is simulated (Computational Fluid Dynamics) and based on simulation data the spray detailed source is modeled and droplet flow is simulated as Lagrangian droplets. 2) Extend existing Cartesian Cut-Cell computational method to dynamically simulated 3D vessels or structures, and their interaction with waves and wind. A particular important outcome is simulation of wave impacts and the spray source. 3) Develop method to compute full energy coupling between fields (air, water, droplets) and simulate the droplet deposition 4) Provide open source computational code that can be applied by industry to assess ice load on vessels and structures 5) For the first time, provide experimental field data for model validation (both spray source and ice accretion) . Data will be open. This is work by our Russian partners.