Numerische Simulation von Seegangs- und Windbelastung auf Offshore-Windkraftanlagen

Corte, Carsten

Offshore-Windkraftanlagen sind bei einer Nutzungsdauer von bis zu 25 Jahren Maximalbelastungen aus Extremwellen und Starkwindböen sowie der Langzeitbelastung durch kombinierte Einwirkung von Seegang und Wind ausgesetzt. Das Auftreffen einer Extremwelle mit vertikaler Wellenfront auf eine Offshore-Windkraftanlage bewirkt durch einen Druckschlag auf die Turmstruktur eine kurzzeitige Extrembelastung, die weit über der Wellenbelastung durch normalen Seegang liegt. Die Entwicklung von Extremwellen läßt sich durch die Modellierung als Potentialströmung mit freier Oberfläche und Diskretisierung mit dem vorgestellten höherwertigen Randelementeverfahren (BEM) im Zeitbereich realitätsnah abbilden. Für den zweidimensionalen Fall des Druckschlags einer ebenen Wellenfront auf einen Kreisquerschnitt wird gezeigt, daß das verwendete Finite-Volumen – Volume-of-Fluid Verfahren (FVVOF), mit dem die Navier-Stokes Gleichungen und eine zusätzliche Advektionsgleichung diskretisiert werden, den transienten Verlauf der Kreisrandbenetzung durch die Wellenfront und die zugehörige Druckverteilung auf dem Kreisrand im Vergleich zu experimentellen Ergebnissen und einem analytischen Ansatz, der auf der Annahme einer Potentialströmung beruht, äquivalent wiedergibt. Mit einem dreidimensionalen Modell wird die Umströmung einer zylindrischen Turmstruktur durch eine Extremwelle mit dem FVVOF- Verfahren wiedergegeben, wobei die starke Verformung der freien Oberfläche der Welle während der Zylinderumströmung vom FVVOF-Verfahren implizit miterfaßt wird. Bei der Betrachtung des Gesamttragwerks Offshore-Windkraftanlage zeigt sich der Effekt der gyroskopischen Dämpfung der Rotorkomponenten infolge Drehung und Wirkung von Corioliskräften. Am Teilmodell Rotorblatt wird die Auswirkung der zugehörigen Kopplung von Freiheitsgraden in Hinblick auf die Berücksichtigung bei der Modellierung des Gesamttragwerks quantitativ analysiert und bewertet. Für die Abbildung des Gesamtsystems Offshore-Windkraftanlage wird das Modell einer dreidimensionalen Balkenstruktur mit der Finite Elemente Methode (FEM) diskretisiert. Dabei werden bei der Modellierung im Zeitbereich große Starrkörperrotationen der rotierenden Teilkomponenten durch die Modellierung der Gesamtstruktur in einem inertialen kartesischen Koordinatensystem berücksichtigt. Die Strukturreaktion infolge kombinierter Einwirkung durch stochastischen Seegang und turbulenten Wind bei Modellierung der Rotorblattanströmung durch ein Dynamic Stall Modell und charakteristische Anregungsmechanismen der Gesamtstruktur einer Offshore-Windkraftanlage lassen sich durch das verwendete Finite Elemente Modell wiedergeben.

Offshore wind turbines for a time range of up to 25 years are exposed to maximum loads due to extreme waves and strong-wind gusts as well as to long-term load due to combined load of sea state and wind. The hitting of an extreme wave with a vertical water front on an offshore wind turbine represents an impact of a short-time extreme load on the tower structure that is tremendously higher than the wave load due to normal sea state. The evolution of extreme waves can be modelled realistically under the assumption of potential flow with free surface and discretization by the presented higher-order boundary element method (BEM) in time domain. For the two-dimensional case of the impact of an even water front on a circular cross- section it is shown that the applied finite-volume – volume-of fluid method (FVVOF), by which the Navier-Stokes equations and an additive advection equation are discretized, represents the transient wetting process on the circular circumference as well as the appropriate pressure distribution on the circumference equivalently in comparison to experimental results and an analytic approach that is based on the assumption of potential flow. In a three-dimensional domain the flow of an extreme wave around a cylindrical tower structure is modelled by the FVVOF method, where the strong deformation of the free surface of the wave when passing the tower structure is implicitly captured by the FVVOF method. Considering the global structure of an offshore wind turbine shows that the components of the rotor system are exposed to gyroscopic damping due to their rotation and thus Coriolis forces. For the substructure of a rotor blade the effect of gyroscopic damping on the appropriate coupled degrees of freedom is quantitatively analyzed and assessed with respect to modelling the global structure. The global structure of an offshore wind turbine is modelled as a three- dimensional beam structure that is discretized by the finite element method (FEM). Thereby, large rigid body rotations of the rotating components are described in time domain in an inertial cartesian coordinate system. The structural reaction due to stochastic sea state and turbulent wind, where the rotor blade load is modelled by a dynamic stall model, and characteristic excitation mechanisms of the global structure of an offshore wind turbine can be represented well by the applied finite element model.

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Corte, Carsten: Numerische Simulation von Seegangs- und Windbelastung auf Offshore-Windkraftanlagen. 2006.

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