A Computational Fluid Dynamics Investigation of Motion Mitigation on a Floating Object Containing Tuned Liquid Column Damper

Abstract

Net sıfır emisyon enerji sistemlerine yönelik küresel dönüşüm, sürdürülebilir gelişmelere ve yenilenebilir enerji alternatiflerine olan ilgiyi artırmış, rüzgâr bu bağlamda ön plana çıkmıştır. Ancak, geleneksel yöntemler derin su bölgelerindeki rüzgâr kaynaklarına erişimde zorlanmaktadır. Denizüstü Yüzer Rüzgar Türbinleri (YRT), bu engeli aşarak daha önce erişilemeyen derin su sahalarından rüzgâr enerjisi elde etmeyi mümkün kılmıştır. YRT'lerin ömrünü uzatmak için istenmeyen yük ve hareketlerin en aza indirilmesi kritik öneme sahiptir. Bu proje, OpenFOAM kullanarak YRT'lerin yüksek doğruluklu ve entegre bir simülasyon metodolojisini araştırmaktadır. Dalga üretimi ve sönümlemesi için 'sönümleme bölgesi' yöntemini kullanan waves2Foam aracı (Jacobsen vd. 2012) kullanılmış ve demirleme kuvvetleri yarı sabit katener modeli ile hesaplanmıştır. Çok fazlı simülasyon, dinamik ağ teknikleri entegre edilen waveDyMFoam çözücüsü ile gerçekleştirilmiştir. Akışkan-Yapı Etkileşimi (AYE) bağlantısı, PIMPLE metoduna dayalı, seri alt yineleme stratejisi ile sağlanmıştır. Metodoloji, Ayarlanmış Sıvı Kolon Sönümleyici (ASKS) uygulaması ile adım adım geliştirilmiş ve mevcut çalışmalarla doğrulanmıştır. Ardından, bir Dalga Enerji Dönüştürücüsü (DED) üzerinde serbest bozunma analizi yapılmış ve ASKS'nin farklı kütle oranları altında sönümleme performansı doğrulanmıştır. Serbest bozunma koşullarında %4 kütle oranlı ASKS uygulaması ile hareket azaltımı %47,80, düzenli dalga koşullarında ise %37,01 olarak elde edilmiştir. Bu metodoloji, ASKS ve Ayarlanmış Sıvı Çok Kolonlu Damper (ASÇKS) uygulamalarının dalga koşulları altında yüzer nesneler üzerindeki sönümleme performansını başarıyla göstermekte olup, YRT modellemesi için ASKS'nin güvenilir bir teknik olduğunu kanıtlamaktadır.

The global shift towards net-zero emission energy systems has heightened interest in sustainable developments and renewable energy alternatives, with wind emerging as a key resource. However, conventional methods struggle to access wind resources in deepwater areas. Floating Offshore Wind Turbines (FOWTs) have overcome this limitation, enabling the harnessing of wind energy at previously inaccessible deep-water sites. To extend the operational life of FOWTs, it is crucial to minimize undesirable loads and motions. This project investigates a methodology for high-fidelity, coupled simulation of FOWTs in OpenFOAM. The waves2Foam tool by (Jacobsen et al. 2012), utilizing the relaxation zone method, is employed for wave generation and absorption, while mooring restraints are computed using a quasi-steady catenary model. The multiphase simulation employs the waveDyMFoam solver, modified by the interFoam solver, incorporating dynamic mesh techniques. Fluid-structure interaction (FSI) coupling is implemented through a PIMPLE-based, serial sub-iterating strategy. The methodology was developed incrementally, beginning with the Tuned Liquid Column Damper (TLCD) implementation, validated against existing studies. Free-decay analysis was then conducted on a wave energy converter (WEC), confirming the damping performance of a TLCD applied with varying mass ratios. Eventually, motion mitigation was obtained in free decay condition by 47.80% with a 4% mass ratio TLCD application and 37.01% achieved under regular wave conditions. The methodology successfully demonstrates the damping performance of TLCD and Tuned Liquid Multi Column Damper (TLMCD) applications on floating objects under wave conditions, making it a reliable technique for TLMCDs in FOWT modeling.