Computational Fluid Dynamics applied to wave energy extraction in a coastal environment

Til forskjell fra skip og offshore-strukturer til havs, som er designet for lavest mulig respons, er flytende bølgekraftverk nødt til å bevege seg for å absorbere bølgeenergi. Dette utgjør en betydelig utfordring i design av flyteren, med tanke på ekstremlaster den blir utsatt for i storm og dårlig vær. Store flyterbevegelser kan gi betydelig ikke-lineær respons, noe som ikke nødvendigvis fanges opp av dagens regneverktøy brukt i design av marine strukturer. I design av bølgekraftverk er det viktig å kartlegge tilgjengelig bølgeenergi for aktuell lokasjon, med tanke på energiuttak (produksjon), men også ekstremrespons og overlevelse. Globale og regionale fase-midlede bølgemodeller er ofte brukt som basis for design av offshore strukturer, men vil ikke nødvendigvis gi et riktig bilde av lokale kondisjoner langs kysten og inne i fjorder. Selv om lokale modeller vil kunne forbedre dette, er informasjonen fra denne type bølgemodeller begrenset til spektral data, og gir ikke informasjon om enkeltbølger, brytning, lokal bølgekinematikk osv. Målet for dette prosjektet er å utforske «state-of-the-art» innen numeriske fluiddynamikk-modeller for å: - Å beregne ikke-lineær respons og last på flyter i steile irregulære sjøtilstander - Å utvikle en bølgemodell for faseoppløste bølger for å gi bølgekinematikk på grunt vann ved variabelt vanndyp Resultatet av arbeidet er forventet å redusere usikkerhet i analyser som gjøres i design av flytende bølgekraftverk. Verktøy og metoder vil også være anvendbart på andre typer kyststrukturer.

Unlike for ships and offshore structures which are designed to have minimal response in bad weather, wave power devices must respond to the waves. The design of a floating unit which is both an efficient wave power absorber and survives in a storm environment is therefore a formidable challenge. With large motion response, linear or weakly nonlinear methods for wave loading and motion response may not be sufficiently accurate to verify the survival of a floating wave power device. In order to plan and design a commercial wave power plant, a reliable estimate of the available wave power is essential. For offshore locations, global or regional hindcast models give a good estimate of the wave environment. For a nearshore location, weakly nonlinear local models may not be reliable. The objective of the present PhD project is to apply Computational Fluid Dynamics (CFD) methods to these problems and reduce the uncertainty in wave loading on a floating unit and wave conditions at a nearshore location. - Using as a starting point the OpenFoam software with the mesh overlay method, a method will be developed for calculating motion and wave loading on a floating wave power device in operational and survival conditions. A statistical method for providing the governing wave loads using this method will be proposed. - Using as a starting point the Basilisk software with the multilayer method, a method for propagating offshore waves into the nearshore environment will be developed. A statistical method for providing the governing seastates for design purposes will be proposed. The CFD results will be compared with established weakly nonlinear analysis, model tests and full scale measurements. Although this project addresses the challenges associated with a floating wave power device, the outcomes are also of interest for others with activities in the coastal areas such as aquaculture, floating solar, fixed and floating wind, harbour facilities and the oil and gas industry.