Τρισδιάστατη αριθμητική προσομοίωση υδροδυναμικής συμπεριφοράς πλωτής ανεμογεννήτριας τύπου spar-buoy σε θαλάσσιους κυματισμούς

• Κύριος συγγραφέας: Μακρυγιάννης, Γεώργιος
• Άλλοι συγγραφείς: Δήμας, Αθανάσιος
• Μορφή: Thesis
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2016
• Θέματα: Πλωτή πλατφόρμα στήριξης ανεμογεννήτριας; Σημαντήρας τύπου ιστού; Θαλάσσιοι ανεμογενείς κυματισμοί; Floating wind turbine; Spar-buoy platform; Wave loads; Fluid-structure interaction; 532.25

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής ήταν η διερεύνηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της κίνησης μιας πλωτής πλατφόρμας στήριξης ανεμογεννήτριας και των φορτίσεων που αυτή δέχεται λόγω των κυματισμών (Fluid Structure Interaction [FSI]). Γενικά, μια πλωτή πλατφόρμα έχει τη δυνατότητα κίνησης - γραμμικής και περιστροφικής - και ως προς τους τρεις άξονες του χώρου (x, y, z). Επίσης, υπάρχουν διάφοροι τύποι πλωτών πλατφορμών στήριξης, καθένας από τους οποίους προσδίδει με διαφορετικό τρόπο την επιθυμητή σταθερότητα στην κατασκευή. Στην παρούσα εργασία επιλέχθηκε ο σημαντήρας τύπου ιστού (spar - buoy) ως πλωτή πλατφόρμα στήριξης της ανεμογεννήτριας, ενώ από τους ανωτέρω δυνατούς τρόπους κίνησης εξετάστηκαν η γραμμική κίνηση κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα z (heave motion) του πεδίου και η περιστροφική κίνηση γύρω από τον εγκάρσιο άξονα y (pitch motion) αυτού, αντίστοιχα. Οι κινήσεις αυτές μπορούν να μεταβάλλουν σημαντικά το πεδίο ροής που δημιουργείται γύρω από το σώμα της πλωτής πλατφόρμας, επηρεάζοντας αρνητικά τη λειτουργία της. Κάθε κίνηση εξετάστηκε ξεχωριστά σε διάφορες συνθήκες φόρτισης και εξήχθησαν συμπεράσματα για το πεδίο ταχυτήτων, πιέσεων και στροβιλότητας που αναπτύσσονταν στην κατασκευή. Ειδικότερα, μελετήθηκε η συμπεριφορά της πλωτής πλατφόρμας σε τρεις διαφορετικές συνθήκες που χαρακτηρίζονταν από: (α) ύψος κύματος H = 2 m και περίοδο T = 6 s, (β) ύψος κύματος H = 5.42 m και περίοδο T = 7.55 s και (γ) ύψος κύματος H = 8.23 m και περίοδο T = 7.55 s. Η τελευταία περίπτωση φόρτισης αποτελούσε το μέγιστο ύψος κύματος για περίοδο επαναφοράς πενήντα (50) ετών. Προκειμένου να μελετηθεί η συμπεριφορά της πλωτής πλατφόρμας στις παραπάνω συνθήκες, χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πακέτο ANSYS v.13. Έτσι, δημιουργήθηκε ένα μοντέλο προσομοίωσης με κατάλληλες διαστάσεις μέσω της εφαρμογής Design Modeler, καθώς και ένα υπολογιστικό πλέγμα μέσω της εφαρμογής ANSYS Meshing, ενώ στη συνέχεια η κάθε περίπτωση επιλύθηκε αριθμητικά με τη βοήθεια του λογισμικού FLUENT. Στην αριθμητική αυτή επίλυση χρησιμοποιήθηκε η θεωρία κυμάτων Stokes 3ης τάξης προκειμένου να περιγραφούν οι μη γραμμικοί κυματισμοί με τους οποίους φορτίζονταν η κατασκευή, η τεχνική του μοντέλου Volume of Fluid (VOF) για την περιγραφή της ελεύθερης επιφάνειας του νερού, το μοντέλο SST k - ω για το κλείσιμο της τύρβης, ενώ σε κάθε υπολογιστικό βήμα του προγράμματος FLUENT επιλύονταν οι εξισώσεις RANS (Reynolds Averaged Navier – Stokes). Επιπλέον, μέσα από το περιβάλλον του προγράμματος FLUENT και ειδικότερα στην αρχή κάθε υπολογιστικού βήματος, καλούνταν ένας κώδικας γραμμένος σε γλώσσα προγραμματισμού C++ στον οποίο περιέχονταν πληροφορίες που αφορούσαν το πλήθος των κινήσεων που μπορεί να εκτελεί κάθε φορά η πλωτή πλατφόρμα, τη μάζα και τις ροπές αδρανείας της. Όσον αφορά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων, είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι δεν παρατηρήθηκε αποκόλληση της ροής για καμία από τις συνθήκες φόρτισης που εφαρμόστηκαν, ακόμα και για αυτήν που χαρακτηρίζονταν από την τιμή του ύψους κύματος HS = 8.23 m, που αποτελούσε το μέγιστο ύψος κύματος που δύναται να εμφανιστεί για μια περίοδο επαναφοράς πενήντα (50) ετών. Επιπλέον, όσον αφορά την περιστροφική κίνηση της πλωτής πλατφόρμας, η μέγιστη ανθωρολογιακή τιμή της γωνίας περιστροφής της σημειώθηκε κατά τη διάρκεια της πρώτης περιόδου του εκάστοτε κυματισμού και για τις τρεις συνθήκες φόρτισης, ενώ αντίστοιχα η μέγιστη ωρολογιακή τιμή της σημειώθηκε κατά τη διάρκεια της τελευταίας περιόδου αυτού. Επίσης, οι μεγαλύτερες τιμές της γωνίας περιστροφής της πλωτής πλατφόρμας καταγράφηκαν για το μεγαλύτερο ύψος κύματος (HS = 8.23 m), ενώ αντίστοιχα οι μικρότερες για το μικρότερο ύψος κύματος, H = 2 m. Τέλος, όσον αφορά τη συμπεριφορά της πλωτής πλατφόρμας κατά τη διάρκεια της γραμμικής κίνησής της κατά μήκος του κατακόρυφου άξονα z του πεδίου, από τα αποτελέσματα φάνηκε ότι η μεταβολή της θέσης της κατά τη διάρκεια του συνολικού χρόνου προσομοίωσης παρουσίαζε και στις τρεις συνθήκες φόρτισης μια περιοδικότητα, με συχνότητα ωστόσο που διέφερε από τη συχνότητα του κυματισμού με τον οποίο φορτιζόταν η κατασκευή. Μάλιστα, παρατηρήθηκε ότι τόσο για το ύψος κύματος HS = 8.23 m, όσο και για τα ύψη κύματος H = 5.42 m και H = 2 m, η μέγιστη μετατόπιση της πλωτής πλατφόρμας από τη θέση ισορροπίας της ήταν 2 m. Άξια αναφοράς, επίσης, είναι αφενός το γεγονός ότι και στις τρεις συνθήκες φόρτισης η μέγιστη μετατόπιση της πλωτής πλατφόρμας από τη θέση ισορροπίας της σημειώθηκε περίπου στο ίδιο χρονικό σημείο, αφετέρου ότι ολόκληρη εν γένει η συμπεριφορά της ήταν παραπλήσια, πράγμα που φανερώνει ότι η αύξηση του ύψους κύματος από τα 2 m στα 8.23 m δεν επηρέασε τη γραμμική κίνησή της σε τέτοιο βαθμό όπως συνέβη με την περιστροφική κίνησή της.