A Reduced Order Model for the Dynamics of Long Flexible Cylinders in an offshore environment

Stabile, Giovanni

In dieser Dissertationsschrift wird die Entwicklung eines reduzierten Modells (Reduced Order Model) zur Analyse von langen, flexiblen Zylindern im Hochseebereich vorgeschlagen. Der besondere Fokus liegt auf der Modellierung der durch Wirbel hervorgerufenen Vibrationen, und das Ziel ist die Entwicklung eines Modells, das in der Lage ist, sowohl Schwingungen in Richtung der Strömung als auch quer dazu abzubilden. Das reduzierte Modell wird identifiziert mit den Ergebnissen eines hochgenauen Lösers, der durch die Kopplung eines Finite Elemente-Lösers mit einem Finiten Volumen-Lösers entwickelt wurde. Die hochgenaue Analyse wird auf einem beschränkten Gebiet durchgeführt, welches einen kleinen Abschnitt eines langen Zylinders repräsentiert, der dennoch flexibel ist. Dem Zylinderabschnitt wird an den Enden eine Bewegung aufgezwungen, die der erwarteten Bewegung in der echten Größenordnung entspricht, und die Ergebnisse werden zur Systemparameteridentifizierung des reduzierten Modells genutzt. Verschiedene reduzierte Modelle werden analysiert und ihre Resultate verglichen und diskutiert. Das reduzierte Modell wird durch eine System- und eine Parameteridentifizierung bestimmt. Das schließlich vorgeschlagene Modell besteht aus der Kombination eines erzwungenen van der Pol-Oszillators, womit die Querstromkräfte modelliert werden, und einem linearen Zustandsraummodell, um die Kräfte in Strömungsrichtung zu modellieren. Das so entwickelte Modell wird auf ein flexibles Modell für die echte Größenordnung angewendet, und die Ergebnisse werden mit Experimenten in einem Schlepptank validiert. Schließlich wird die Parameteridentifizierung mit Hauptaugenmerk auf des van der Pol-Modell in probabilistischer Formulierung durchgeführt. Im Speziellen wird die Anwendbarkeit des Ensemble Kalman Filters zur Parameterschätzung des van der Pol-Oszillators diskutiert und analysiert.

In this thesis the development of a reduced order model for the analysis of long flexible cylinders in an offshore environment is proposed. In particular the focus is on the modelling of the vortex induced vibrations and the aim is the development of a model capable of capturing both the in-line and cross-flow oscillations. The reduced order model is identified starting from the results of a high fidelity solver developed coupling together a finite element solver with a computational fluid dynamics finite volume solver. The high fidelity analyses are conducted on a reduced domain size representing a small section of the long cylinder, which is nevertheless, already flexible. The section is forced using a motion which matches the expected motion in full scale, and the results are used for the system-parameter identification of the reduced order model. Several different models are analysed and their results are compared and discussed. The reduced order model is identified by using a system and parameter identification approach. The final proposed model consists in the combination of a forced van der Pol oscillator, to model the cross-flow forces, and a linear state-space model, to model the in-line forces. The model developed in such a way is applied to study a full scale flexible model and the results are validated by using experiments conducted inside a towing tank. Finally the parameter identification, focusing on the van der Pol model is repeated in a probabilistic setting. In particular, the applicability of the ensemble Kalman filter for the parameter estimation of the van der Pol oscillator is discussed and analysed.

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Stabile, Giovanni: A Reduced Order Model for the Dynamics of Long Flexible Cylinders in an offshore environment. 2016.

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