An integrated nonlinear wind-waves model for offshore wind turbines

Marino, Enzo

This thesis presents a numerical model capable of simulating offshore wind turbines exposed to extreme loading conditions. External condition-based extreme responses are reproduced by coupling a fully nonlinear wave kinematic solver with a hydro-aero-elastic simulator. First, a two-dimensional fully nonlinear wave simulator is developed. The transient nonlinear free surface problem is formulated assuming the potential theory and a higher-order boundary element method (HOBEM) is implemented to discretize Laplace's equation. For temporal evolution a second-order Taylor series expansion is used. The code, after validation with experimental data, is successfully adopted to simulate overturning plunging breakers which give rise to dangerous impact loads when they break against wind turbine substructures. The impact force is quantified by means of an analytical model and the total hydrodynamic action is finally obtained by adding the impulsive term to the drag and inertial ones. In the second main core of the thesis, emphasis is placed on the random nature of the waves. Indeed, a global simulation framework embedding the numerical wave simulator into a more general stochastic environment is developed. Namely, first a linear irregular sea is generated by the spectral approach, then, only on critical space-time sub-domains, the fully nonlinear solver is invoked for a more refined simulation. The space-time sub-domains are defined as the wind turbine near field (space) times the time interval in which wave impacts are expected (time). Such a domain decomposition approach permits systematically accounting for dangerous effects on the structural response (which would be totally missed by adopting linear or weakly nonlinear wave theories alone) without penalizing the computational effort normally required. At the end of the work the attention is moved to the consequences that the proposed model would have in the quantification of the structural risk.

In dieser Arbeit wird ein numerisches Modell zur Simulation von Offshore-Windenergieanlagen unter extremen Lasteinwirkungen entwickelt. Dazu wird ein vollständig kinematisch nichtlineares Wellenmodell mit einem hydroaeroelastischen Modell kombiniert. Zunächst wird das instationäre nichtlineare Problem der freien Wasseroberfläche unter Verwendung der zweidimensionalen Potentialtheorie beschrieben. Die sich ergebende Laplace-Gleichung wird mit einer Randelementmethode höherer Ordnung räumlich diskretisiert. Für die zeitliche Entwicklung wird eine Taylor Reihe zweiter Ordnung verwendet. Nach Abgleichung mit experimentellen Daten wird der entwickelte Algorithmus angewendet, um die für die Stoßbelastung von Windkraftanlagen ursächlichen überschlagenden brechenden Wellen zu simulieren. Die gesamte hydrodynamische Last wird schließlich durch ein analytisches Modell beschrieben, bei dem ein Term, der die Stoßwirkung der Wellen berücksichtigt, zu den Längs- und Trägheitskräften hinzugefügt wird. Im zweiten Teil der Arbeit wird das Wellenmodell in eine Simulationsumgebung eingebettet, welche die stochastischen Natur des Wellengangs erfasst. Hierbei wird zuerst ein linear beschriebener breitbandiger Seegang mithilfe des Spektralansatzes erzeugt. Beschränkt auf kritische Bereiche in der räumlichen und zeitlichen Simulation wird im Anschluss das vollständig nichtlineare hydrodynamische Modell für eine genauere Lösung herangezogen. Die kritischen Bereiche sind auf die nähere Umgebung der Windenergieanlage beim Eintreffen der brechenden Welle begrenzt. Diese Substrukturtechnik erlaubt es, für die Strukturantwort maßgebende Effekte systematisch zu erfassen, die bei einer Verwendung von linearen oder schwach nichtlinearen Wellentheorien komplett vernachlässigt werden, ohne dabei den herkömmlichen Rechenaufwand substantiell zu erhöhen. Zum Abschluss der Arbeit wird diskutiert, wie sich das vorgestellte Modell auf die Quantifizierung des Risikos der Struktur auswirkt.

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Marino, Enzo: An integrated nonlinear wind-waves model for offshore wind turbines. 2010.

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