Real-time simulation of service vessels for offshore wind turbines.

Abstract

[EN] Wave loads on service vessels approaching wind turbine foundations are a paramount element to consider such that the risk of accidents for both navigators and service crews during service operations can be mitigated. This project's scope is to perform accurate real-time simulations of ocean waves around offshore wind turbine foundations and real-time calculations of ocean wave forces on service vessels. Firstly, as an introduction, every condition/parameter/limitation involved in these service operations needs to be studied i.e., wave climate and extreme waves and the required local operational wave conditions. Once the climate boundary conditions have been established, we can move on to the next step: an explanation of wave interaction with an offshore structure. The project includes both offshore structures interaction, i.e., wind turbine (fixed) and vessel (floating) which theoretical solutions need to be well explained. The general theoretical solution for a floating structure will be addressed first holistically, where radiation takes part and every aspect of it will need to be explained: - First, background and literature study will be paramount to gain knowledge about relevant information in the ship's domain e.g., type, size, working environmental conditions, stability, etc. - Motion of floating bodies in regular waves. - Damping and added mass. - Wave-exciting force and moment. - Body response in regular waves. The presence of wind turbine foundations adds an extra element to studying the wave interaction with the service vessel: diffraction effects. MacCamy and Fuchs developed a theoretical solution for this case due to a cylinder. State of the art of wind turbine foundations needs to be researched in order to define a general approach regarding their size, material, etc. In addition, a MATLAB code will be developed where the scattered wave field elevation will be real-time simulated around the cylinder domain. When the scattered wave field is accurately evaluated on a grid that covers a relatively large area surrounding the wind turbine, waves will be visualized in the wave simulator. The next and last part of the project consists of obtaining time-domain forces and moments on the service vessel where both diffraction and radiation effects need to be considered. Therefore, the following tasks will be done:

- Validation of the force calculation including the contribution of the wind turbine foundation. - Analyse the body motion response comparing different situations: typical conditions and different wave heading angles. - Extension of the solution to irregular seas. The response to irregular seas will be evaluated under a spectrum of frequencies. - Finally, the pressure on the hull is calculated from linear wave theory and integrated over the hull to obtain the forces and moments using the ship simulator. This will then allow us to implement this method into the FORCETechnolgy system.

The last task corresponds to the writing part and data gathering of all calculations to complete the Thesis.

[ES] Las cargas de las olas sobre los buques de servicio que se aproximan a las cimentaciones de los aerogeneradores son un elemento primordial a tener en cuenta para poder mitigar el riesgo de accidentes tanto para los navegantes como para las tripulaciones de servicio durante las operaciones de servicio. El objetivo de este proyecto es realizar simulaciones precisas en tiempo real de las olas oceánicas en torno a las cimentaciones de aerogeneradores marinos y cálculos en tiempo real de las fuerzas de las olas oceánicas sobre los buques de servicio. En primer lugar, como introducción, es necesario estudiar todas las condiciones/parámetros/limitaciones que intervienen en estas operaciones de servicio, es decir, el clima de olas y las olas extremas, así como las condiciones de olas operativas locales requeridas. Una vez establecidas las condiciones climáticas límite, podemos pasar al siguiente paso: la explicación de la interacción de las olas con una estructura offshore. El proyecto incluye la interacción de ambas estructuras en alta mar, es decir, la turbina eólica (fija) y el buque (flotante), cuyas soluciones teóricas deben explicarse bien. La solución teórica general para una estructura flotante se abordará en primer lugar de forma holística, donde interviene la radiación y será necesario explicar todos sus aspectos: - En primer lugar, será primordial el estudio de los antecedentes y la bibliografía para conocer la información relevante en el ámbito del buque, por ejemplo, tipo, tamaño, condiciones ambientales de trabajo, estabilidad, etc. - Movimiento de cuerpos flotantes en olas regulares. - Amortiguación y masa añadida. - Fuerza y momento de excitación de las olas. - Respuesta de los cuerpos en olas regulares.

La presencia de cimientos de aerogeneradores añade un elemento adicional al estudio de la interacción de las olas con el buque de servicio: los efectos de difracción. MacCamy y Fuchs desarrollaron una solución teórica para este caso debido a un cilindro. Es preciso investigar el estado actual de las cimentaciones de aerogeneradores para definir un planteamiento general en cuanto a su tamaño, material, etc. Además, se desarrollará un código MATLAB en el que se simulará en tiempo real la elevación del campo de ondas dispersas alrededor del dominio del cilindro. Cuando el campo de ondas dispersas se evalúe con precisión en una malla que cubra un área relativamente grande alrededor del aerogenerador, las ondas se visualizarán en el simulador de olas. La siguiente y última parte del proyecto consiste en la obtención de fuerzas y momentos en el dominio del tiempo sobre el buque de servicio, donde es necesario considerar tanto los efectos de difracción como de radiación. Por lo tanto, se realizarán las siguientes tareas

- Validación del cálculo de fuerzas incluyendo la contribución de la cimentación del aerogenerador. - Analizar la respuesta del movimiento del cuerpo comparando diferentes situaciones: condiciones típicas y diferentes ángulos de dirección de las olas. - Extensión de la solución a mares irregulares. Se evaluará la respuesta a mares irregulares bajo un espectro de frecuencias. - Por último, se calculará la presión sobre el casco a partir de la teoría lineal de olas y se integrará sobre el casco para obtener las fuerzas y momentos utilizando el simulador de buques. Esto nos permitirá implementar este método en el sistema FORCETechnolgy.

La última tarea corresponde a la parte de redacción y recopilación de datos de todos los cálculos para completar la Tesis.