This paper is concerned with the numerical study on the resonance response of a rigid spar-type floating platform in coupled heave and pitch motion. Spar-type floating platforms, widely used for supporting the offshore structures, offer an economic advantage but those exhibit the dynamically high sensitivity to external excitations due to their shape at the same time. Hence, the investigation of their dynamic responses, particularly at resonance, is prerequisite for the design of spar-type floating platforms which secure the dynamic stability. Spar-type floating platform in 2-D surface wave is assumed to be a rigid body having 2-DOFs, and its coupled dynamic equations are analytically derived using the geometric and kinematic relations. The motion-variance of the metacentric height and the moment of inertia of floating platform are taken into consideration, and the hydrodynamic interaction between the wave and platform motions is reflected into the hydrodynamic force and moment and the frequency-dependent added masses. The coupled nonlinear equations governing the heave and pitch motions are solved by the RK4 method, and the frequency responses are obtained by the digital Fourier transform. Through the numerical experiments to the wave frequency, the resonance responses and the coupling in resonance between heave and pitch motions are investigated in time and frequency domains.
Floating wind turbines have been suggested as a feasible solution for going further offshore into deeper waters. However, floating platforms cause additional unsteady motions induced by wind and wave conditions, so that it is difficult to predict annual energy output of wind turbines by using conventional power prediction method. That is because sectional inflow condition on a rotor plane is varied by unsteady motion of floating platforms. Therefore, aerodynamic simulation using Vortex Lattice Method(VLM) were used to investigate the influence of motion on the aerodynamic performance of a floating offshore wind turbine. Simulation with individual motion of offshore platform were compared to the case of onshore platform and carried out according to the wave height and the wave angular frequency.
Differing from the fixed-type, the dynamic motion of floating-type offshore wind turbines is very sensitive to wind and wave excitations. Thus, the sensing and monitoring of its motion is important to evaluate the dynamic responses to the external excitation. In this context, a monitoring system for sensing and processing the wind-induced dynamic motion of spar-type floating offshore wind turbine is developed in this study. It is developed by integrating a 1/00 scale model of 2.5MW spar-type floating offshore wind turbine, water basin equipped with the wind generator, sensing and data acquisition systems, real-time CompactRIO controller and monitoring program. The scale model with the upper rotatable blades is installed within the basin by means of three mooring lines, and its translational and rotational motions are detected by 3-axis inclinometer and accelerometers and gyroscope. The detected motion signals are processed using a real-time controller CompactRIO to calculate the acceleration and tilting angle of nacelle and the attitude of floating platform. The developed monitoring system is demonstrated and validated by measuring and evaluating the time histories and trajectories of nacelle and platform motions for three different wind velocities and for eight different fairlead positions.
Offshore wind energy has become a major energy source, and various studies are underway to increase the economic feasibility of floating offshore wind turbines (FOWT). In this study, the characteristics of wave-induced motion of a combined wind-wave energy platform were analyzed to reduce the variability of energy extraction. A user subroutine was developed, and numerical analysis was performed in connection with the ANSYS-AQWA hydrodynamic program in the time domain. A platform combining the TLP-type FOWT and the Wavestar-type wave energy converter (WEC) was proposed. Each motion response of the platform on the second-order wave load, the effect of WEC attachment and Power take-off (PTO) force were analyzed. The mooring line tension according to the installation location was also analyzed. The vertical motion of a single FOWT was increased approximately three times due to the second-order sum-frequency wave load. The PTO force of the WEC played as a vertical motion damper for the combined platform. The tension of the mooring lines in front of the incident wave direction was dominantly affected by the pitch of the platform, and the mooring lines located at the side of the platform were mainly affected by the heave of the platform.
In this paper, the resonance response of spar-type floating platform in coupled heave and pitch motion is investigated using a CPU time-effective numerical method. A coupled nonlinear 2-DOF equation of motion is derived based on the potential wave theory and the rigid-body hydrodynamics. The transient responses are solved by the fourth-order Runge-Kutta (RK4) method and transformed to the frequency responses by the digital Fourier transform (DFT), and the first-order approximation of heave response is analytically derived. Through the numerical experiments, the theoretical derivation and the numerical formulation are verified from the comparison with the commercial software AQWA. And, the frequencies of resonance arising from the nonlinear coupling between heave and pitch motions are investigated and justified from the comparison with the analytically derived first-order approximation of heave response.
In this study, a six degree-of-freedom motion analysis of a wind-wave hybrid platform equipped with numerous wave energy converters (WECs) was carried out. To examine the effect of the WECs on the platform, an analysis of one-way coupling was carried out, which only considered the power take-off (PTO) damping of the static WECs on the platform. The equation of motion of a floating platform with mooring lines in the time domain was established, and the responses of the one-way coupled platform were then compared with the case of a platform without any coupling effects from the WECs. The hydrodynamic coefficients and wave exciting forces were obtained from the 3D diffraction/radiation pre-processor code WAMIT based on the boundary element method. Then, an analysis of the dynamic responses of the floating platform with or without the WEC effect in the time domain was carried out. All of the dynamics of a floating platform with multiple wind turbines were obtained by coupling FAST and CHARM3D in the time domain, which was further extended to include additional coupled dynamics for multiple turbines. The analysis showed that the PTO damping effect on platform motions was negligible, but coupled effects between multiple WECs and the platform may differentiate the heave, roll, and pitch platform motions from the one without any effects induced by WECs.
Targeting a floating wave and offshore wind hybrid power generation system (FWWHybrid) designed in the Republic of Korea, this study examines the impact of the interaction, with multiple wave energy converters (WECs) placed on the platform, on platform motion. To investigate how the motion of WECs affects the behavior of the FWWHybrid platform, it was numerically compared with a scenario involving a 'single-body' system, where multiple WECs are constrained to the platform. In the case of FWWHybrid, because the platform and multiple WECs move in response to waves simultaneously as a 'multi-body' system, hydrodynamic interactions between these entities come into play. Additionally, the power take-off (PTO) mechanism between the platform and individual WECs is introduced for power production. First, the hydrostatic/dynamic coefficients required for numerical analysis were calculated in the frequency domain and then used in the time domain analysis. These simulations are performed using the extended HARP/CHARM3D code developed from previous studies. By conducting regular wave simulations, the response amplitude operator (RAO) for the platform of both single-body and multi-body scenarios was derived and subsequently compared. Next, to ascertain the difference in response in the real sea environment, this study also includes an analysis of irregular waves. As the floating body maintains its position through connection to a catenary mooring line, the impact of the slowly varying wave drift load cannot be disregarded. To assess the influence of the 2nd-order wave exciting load, irregular wave simulations were conducted, dividing them into cases where it was not considered and cases where it was included. The analysis of multi-degree-of-freedom behavior confirmed that the action of multiple WECs had a substantial impact on the platform's response.
The purpose of this paper is to understand and model the slow current (~2 m/s) effects on the global response of a floating offshore platform in waves. A time-domain numerical simulation of full wave-current-body interaction by a quadratic boundary element method (QBEM) is applied to compute the hydrodynamic loads and motions of a floating body under the combined influence of waves and current. The study is performed in the context of linearized potential flow theory that is sufficient in understanding the leading-order current effect on the body motion. The numerical simulations are validated by quantitative comparisons of the hydrodynamic coefficients with the WAMIT prediction for a truncated vertical circular cylinder in the absence of current. It is found from the simulation results that the presence of current leads to a loss of symmetry in flow dynamics for a tension-leg platform (TLP) with symmetric geometry, resulting in the coupling of the heave motion with the surge and pitch motions. Moreover, the presence of current largely affects the wave excitation force and moment as well as the motion of the platform while it has a negligible influence on the added mass and damping coefficients. It is also found that the current effect is strongly correlated with the wavelength but not frequency of the wave field. The global motion of a floating body in the presence of a slow current at relatively small encounter wave frequencies can be satisfactorily approximated by the response of the body in the absence of current at the intrinsic frequency corresponding to the same wavelength as in the presence of current. This finding has a significant implication in the model test of global motions of offshore structures in ocean waves and currents.
This paper is concerned with the comparative numerical and experimental study on the natural behavior and the motion responses of a 1/75 moored scale model of a 2.5 MW spar-type floating offshore wind turbine subject to 1-D regular wave. Heave, pitch and surge motions and the mooring tensions are investigated and compared by numerical and experimental methods. The upper part of wind turbine which is composed of three rotor blades, hub and nacelle is modeled as a lumped mass and three mooring lines are pre-tensioned by means of linear springs. The numerical simulations are carried out by a coupled FEM-cable dynamics code, while the experiments are performed in a wave tank equipped with the specially-designed vision and data acquisition system. Using the both methods, the natural behavior and the motion responses in RAOs are compared and parametrically investigated to the fairlead position, the spring constant and the location of mass center of platform. It is confirmed, from the comparison, that both methods show a good agreement for all the test cases. And, it is observed that the mooring tension is influenced by all three parameters but the platform motion is dominated by the location of mass center. In addition, from the sensitivity analysis of RAOs, the coupling characteristic of platform motions and the sensitivities to the mooring parameters are investigated.
A series of coupled time domain simulations considering stochastic waves and wind based on five 1-h time-domain analyses are performed in normal operating conditions. Power performance and tower base Fore-Aft bending moment and pitching motion response of the floating spar-buoy wind turbine with 2 MW direct-drive PMSG have been analyzed by using HAWC2 that account for aero-hydro-servo-elastic time domain simulations. When the floating spar-buoy wind turbine is tilted in the wind direction, maximum of platform pitching motion is close to $4^{\circ}$. Statistical characteristics of tower base Fore-Aft bending moment of floating spar-buoy wind turbine are compared to that of land-based wind turbine. Maximum of tower base Fore-Aft bending moment of floating spar-buoy wind turbine and land-based wind is 94,448 kNm, 40,560 kNm respectively. This results is due to changes in blade pitch angle resulting from relative motion between wave and movement of the floating spar-buoy wind turbine.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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