Hydrodynamics of semi-submersible floater for offshore wind turbines in highly nonlinear waves using Computational Fluid Dynamics (CFD), and validation of overset meshing technique in a numerical wave tank
Hydrodynamique des éoliennes flottantes de type semi-submersible soumises à des vagues fortement non-linéaires en utilisant la Mécanique des Fluides Numérique (MFN), et validation d’une méthode overset appliquée à un canal à houle numérique
Résumé
The rapid emergence of Floating Offshore Wind Turbines (FOWT) has brought a strong demand for high-fidelity numerical methods to better predict the response of such structures under severe metocean conditions. In these scenarios, design standards suggest simplified approaches, but their applicability is limited, especially when considering complex geometries and/or nonlinear events. Moreover, experimental campaigns are expensive, and few field data are available. So, Computational Fluid Dynamics (CFD) could be a key asset in the design process of FOWT. This thesis aims to assess the ability of a CFD approach to model critical hydrodynamic aspects of semi-submersible FOWT. The overset meshing method built in the open-source software OpenFOAM® is used to handle the body motions. The wave generation and absorption toolbox waves2Foam is coupled with the overset solver to model the interaction between waves and the structure. The results are validated against experimental and numerical data from the literature. Convergence analysis and meshing methodologies of a 2D Numerical Wave Tank (NWT), with fixed and freely floating structures subjected to waves, are considered. Non-linearities are emphasized. The NWT is then extended in 3D to investigate the hydrodynamic response of the DeepCWind semi-submersible FOWT, designed by NREL. Forces and run-up are analyzed for fixed and anchored moving platforms. Wave induced motion and free decay tests are presented. The overset mesh method is also used to estimate the hydrodynamic coefficients resulting from the vertical forced motion of heave damping plate, widely used in FOWT designs.
L'émergence rapide des éoliennes flottantes a entraîné une forte demande de méthodes numériques haute-fidélité afin de mieux prédire le comportement de telles structures dans des conditions météorologiques sévères. Dans ces scénarios, les standards de conception suggèrent des approches simplifiées, mais leur applicabilité est limitée, en particulier lorsque l'on considère des géométries complexes et / ou des événements non-linéaires. De plus, les campagnes expérimentales sont coûteuses et peu de données réelles sont disponibles. Ainsi, la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) pourrait être un atout clé dans le processus de conception des éoliennes flottantes. Cette thèse vise à évaluer la capacité d'une approche de MFN à modéliser certains aspects hydrodynamiques critiques des éoliennes flottantes de type semi-submersible. La méthode des maillages superposés (overset), intégrée dans le logiciel open-source OpenFOAM®, est utilisée pour modéliser les mouvements de la structure. La méthode numérique de génération et d'absorption de vagues de l’outil waves2Foam est couplée au solveur de maillages superposés pour modéliser les interactions entre les vagues et la structure. Les résultats sont validés par comparaison avec des données expérimentales et numériques issues de la littérature. Des analyses de convergence numérique sont réalisées, et les méthodologies de maillage d'un Canal à Houle Numérique 2D (CHN) sont analysées, pour des structures fixes ou flottantes soumises aux vagues. Les non-linéarités sont mises en évidence. Le CHN est ensuite étendu en 3D pour étudier la réponse hydrodynamique du flotteur semi-submersible DeepCWind, conçu par NREL. Les forces et le run-up le long des parois sont analysés pour des plateformes fixes ou flottantes. L’étude des mouvements de la structure dans les vagues, ainsi que des cas d’extinction libre, sont présentés. La méthode des maillages superposés est également utilisée pour étudier les coefficients hydrodynamiques résultant du mouvement forcé vertical de plaques d'amortissement en pilonnement, largement utilisées dans la conception d’éoliennes flottantes.
Origine : Version validée par le jury (STAR)