Suitability of wave loading models for offshore wind turbine monopiles in rough seas

Mockutė, Agota

doi:10.24355/dbbs.084-202112081105-0

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Suitability of wave loading models for offshore wind turbine monopiles in rough seas

English
German

Motivated by the ever-growing need for secure and cost-efficient renewable energy, this thesis discusses the suitability of current numerical wave loading models for monopile-supported offshore wind turbines in highly nonlinear rough seas.
To discuss the distinct influences of nonlinearities in wave loading models, combinations of six increasingly nonlinear regular wave theories, three irregular wave solvers, and three hydrodynamic loading models were modelled. Wave loading was discussed on increasingly complex slender structures: fixed rigid cylinder, bottom-hinged rigid cylinder and a fully flexible monopile-supported offshore wind turbine.
It was found that in deep water the hydrodynamic loading models tend to dominate, therefore solvers can be optimised by compromising on the wave kinematics. However, in intermediate water depth, where monopile-supported offshore wind turbines are commonly placed, the nonlinearities in wave kinematics become more significant. To fully capture the nonlinear phenomena in rough seas and intermediate water depth fully nonlinear wave kinematics were found to be required. Nonetheless, if unavailable or unfeasible, less computationally intensive second order wave kinematics were found to show a significant improvement from the linear wave kinematics, which continuously resulted in underestimation of wave loading. However, attention should be paid when applying the second order wave kinematics in steeper waves where it tends towards overestimation.
Attention was also drawn to several fundamental issues. Wave loading across all numerical models shows monotonic growth with increasing wave steepness in every harmonic. Such behaviour is not seen in the higher harmonics of the reported experimental values, leading to an increasing overprediction at the higher wave steepness.
Moreover, nonlinear fluid-structure interaction was noted to have an effect on the natural frequency of the offshore structure. If unaccounted for, this may lead to design frequencies which fall in the resonant range of wave frequencies, causing unexpected oscillations from the nonlinear phenomena.
To conclude, the findings of this thesis are expected to contribute to more efficient and accurate modelling of wave loading to aid safer and more economical next generation monopile supports for offshore wind turbines, helping the world transform towards becoming carbon-emissions neutral.

Motiviert durch den ständig wachsenden Bedarf an sicherer und kosteneffizienter erneuerbarer Energie, wird in dieser Arbeit die Eignung aktueller numerischer Wellenlastmodelle für monopilegestützte Offshore-Windkraftanlagen in stark nichtlinearer rauer See erörtert.
Um die unterschiedlichen Einflüsse von Nichtlinearitäten in Wellenlastmodellen zu diskutieren, wurden Kombinationen von sechs zunehmend nichtlinearen Theorien regulärer Wellen, drei unregelmäßigen Wellenlösern und drei hydrodynamischen Belastungsmodellen modelliert. Die Wellenbelastung wurde an immer komplexeren schlanken Strukturen diskutiert: fester starrer Zylinder, starrer Zylinder mit Bodenscharnier und eine vollflexible Monopile-Offshore-Windkraftanlage.
Es wurde festgestellt, dass in tiefem Wasser die hydrodynamischen Belastungsmodelle tendenziell dominieren, aber in der mittleren Wassertiefe, in der üblicherweise von Monopiles aufgestellt werden, gewinnen die Nichtlinearitäten in der Wellenkinematik an Bedeutung. Um die nichtlinearen Phänomene in rauer See und mittlerer Wassertiefe vollständig zu erfassen, wurde festgestellt, dass eine vollständig nichtlineare Wellenkinematik erforderlich ist. Wenn sie jedoch nicht verfügbar sind, zeigt sich, dass eine weniger rechenintensive Wellenkinematik zweiter Ordnung eine signifikante Verbesserung gegenüber der linearen Wellenkinematik zeigt. Bei der Anwendung der Wellenkinematik zweiter Ordnung in steileren Wellen, bei denen eine Tendenz zur Überschätzung besteht, ist jedoch Vorsicht geboten.
Es wurde auch auf einige grundlegende Fragen hingewiesen. Die Wellenbelastung über alle numerischen Modelle hinweg zeigt ein monotones Wachstum mit zunehmender Wellensteilheit in jeder Harmonischen. Ein solches Verhalten ist in den höheren Harmonischen der angegebenen experimentellen Werte nicht zu sehen, was zu einer zunehmenden Übervorhersage bei der höheren Wellensteilheit führt.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass nichtlineare Fluid-Struktur-Wechselwirkungen einen Einfluss auf die Eigenfrequenz der Offshore-Struktur haben. Wenn dies nicht berücksichtigt wird, kann dies zu Entwurfsfrequenzen führen, die in den Resonanzbereich der Wellenfrequenzen fallen und unerwartete Schwingungen aufgrund der nichtlinearen Phänomene verursachen.
Die Ergebnisse dieser Arbeit beitragen zu einer effizienteren und genaueren Modellierung der Wellenbelastung für sicherere und wirtschaftlichere Monopile-Träger der nächsten Generation Offshore-Windkraftanlagen.