Hydro-aero-elastic analysis of offshore wind turbines

Abstract

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.