A system for the hydrodynamic design of floating wind turbine platforms

Cihan Emre Uzunoglu

Informações chave

Autores:

Cihan Emre Uzunoglu (Emre Uzunoglu)

Orientadores:

Carlos António Pancada Guedes Soares (Carlos Guedes Soares)

Publicado em

22/07/2019

Resumo

Este trabalho propõe criar uma ponte entre as fases iniciais e avançadas do projeto hidrodinâmico de um flutuador, fornecendo um sistema rápido, flexível e interligado. Centra-se no cenário de “folha em branco”, onde todas as variáveis são desconhecidas. Este caso difere dos estágios posteriores que podem estudar variações de uma propriedade particular depois de assumir um conjunto de constantes. Existem dois problemas aparentes nas fases iniciais: Alternativas simplificadas, como folhas de cálculo, são imprecisas em relação aos dados baseados em geometria, especialmente para formas mais complexas (por exemplo, matriz de massa, coeficientes hidrodinâmicos, propriedades hidrostáticas). O uso de múltiplos softwares comerciais é necessário para uma solução confiável, mas no entanto, a falta de conexão torna-se num segundo problema. Esses assuntos são abordados aqui iniciando o projeto diretamente no espaço tridimensional e utilizando um modelo paramétrico de multiuso. Desenvolve-se uma configuração integrada com os componentes necessários e a sua sistematização. Em seguida, o problema hidrodinâmico é resolvido sem a necessidade de interação humana além de um único modelo da ideia inicial. A abordagem sugere o uso de soluções no domínio da frequência do tempo com uma maior eficiência. Para este propósito, as informações extraídas no domínio de frequência são estendidas e os computacionalmente exigentes códigos do domínio do tempo são reservados para verificação adicional da resposta dinâmica. O sistema é demonstrado com uma plataforma de pernas de tensão para energia eólica, considerando a dinâmica acoplada entre o flutuador e a turbina. O projeto é realizado com o objetivo de evitar ocorrências de perda de tensão da amarração num conjunto de condições ambientais; esta situação realça um caso difícil de cobrir com cálculos manuais. O projeto no domínio de frequência, o dimensionamento da plataforma e as fases de verificação no domínio de tempo são discutidos. No geral, a realocação do recurso humano do cálculo para a parte de inovação do processo de projeto implica uma maior precisão, economia de tempo e um número reduzido de erros. O sistema descrito também está aberto ao desenvolvimento futuro, adicionando módulos à estrutura e estendendo a sua funcionalidade. This work proposes to bridge the gap between the initial and the advanced phases of a floater’s hydrodynamic design by providing a fast, flexible, and interconnected system. It focuses on a “blanksheet” scenario where all variables are unknown. This case differs from the later stages that can study variations of a particular property after assuming a set of constants. There are two apparent problems at early phases: Simplified alternatives such as spreadsheets and hand calculations are imprecise regarding the geometry-based data especially for complex shapes (e.g., mass matrices, hydrodynamic coefficients, hydrostatic properties). The use of multiple commercial software is required for a reliable solution, but their lack of connectedness poses the second problem. These issues are addressed here by starting the design directly in the three-dimensional space and using a multi-purpose parametric model. An integrated configuration is developed with the necessary components and their systematisation. Following that, the hydrodynamic problem is solved without the need for human interaction beyond a single model of the initial idea. The approach advocates using both frequency and time domain solutions with higher efficiency. For this purpose, the information extracted in the frequency domain is extended and computationally demanding time domain codes are reserved to further verification of motion dynamics. The system is demonstrated on a tension leg platform for wind energy, considering the coupled dynamics between the floater and the turbine. The design is carried out with the aim of avoiding slack mooring occurrences in a set of environmental conditions; it underlines a case difficult to cover with hand calculations. The frequency domain stage, platform sizing, and the time domain verification phases are discussed. Overall, relocating the human resource from the calculation to the innovation part of the design process implies increased precision, significant time savings, and reduced number of errors. The described system is also open to future development by adding modules to the framework and extending its functionality.