Numerical investigation of a bottom-fixed wind turbine in severe environmental conditions

Markedet for fornybar energi øker i takt med teknologiutvikling og interesse for å utvikle vindenergimarkedet til havområder. Utfra denne motivasjonen er det av interesse å undersøke en bunnfestet vindturbin i grunt vann og utforske relevansen av tre-dimensjonalitet og kort-kammede bølger. Undersøkelser og litteratur-studie av nåværende forsking blir gjennomført for å undersøke hva som er gjort i forbindelse med høyere ordens krefter på slike strukturer. Basert på funnene av disse studiene gjøres en utgreiing om et relevant geografisk sted som er et aktuelt sted å plassere vindturbinen. Valget faller på en lokasjon i Nordsjøen og miljøfaktorene på stedet blir dermed utforsket og inkludert i en CFD studie. Disse studiene er gjort ved bruk av programvaren OpenFOAM. En høyere ordens bølgeteori blir brukt for å simulere bølgene på stedet. Cnoidal bølger er valgt for å representere disse på en god måte. Disse blir implementert inn i CFD oppsettet ved hjelp av ekstrapakken waves2FOAM. En mesh blir først opprettet i 2D for å gjennomføre en konvergens-studie. Resultatene blir deretter sammenlignet med tidligere studier, og det kommer her frem at oppsettet gir samsvarende resultater med hva som er funnet tidligere. Modellen er dermed validert. Også bølgene valideres; dette ved å simulere 2D bølger i et tomt basseng og deretter sammenligne bølgeprofil med analytiske bølger regnet ut ved hjelp av bølgeteorien. Også her samsvarte resultatene godt og det konkluderes med at waves2FOAM er et bra verktøy som kan brukes videre. Med mål om å studere 3D strømning og effekter blir det gjennomført komplette 3D simuleringer av vindturbin-fundamentet under harde værforhold. Flere 2D studier av sylinderen ved forskjellige bølgehevinger blir også gjennomført. Ved å integrere 2D resultatene ved hjelp av «stripe-teori», finner man et estimert 3D resultat for kreftene som virker på sylinderen. Disse integrerte resultatene kan dermed brukes for sammenligning med 3D resultatene. Sammenligningen viser at de viskøse (drag) kreftene fra 3D simuleringen omtrent er fire ganger høyere enn de integrerte kreftene. Løft kreftene fra de integrerte resultatene viser større variasjoner i tidsseriene og har dermed høyere topper. 2D simuleringene viser uregelmessigheter i forhold til trykket som kan være grunnen til avvikene i resultatene. Strømningsbildet rundt sylinderen viser at trykk-oppførselen i disse simuleringene trenger å bli undersøkt grundigere. Strømningsbildet i 3D simuleringene er som forventet og viser bølge oppløp rett bak sylinderen. Dette er et fenomen som sees ved bratte og lange bølger i grunt vann. Effekten av viskositet er undersøkt ved gjennomføring av en 3D-simulering med de samme bølgeparameterne som tidligere, men med omtrent null viskositet i væsken. Resultatene viser en minking i de viskøse kraft komponentene som er mindre enn 3%. Turbulent simuleringene gir en klarere stabil tilstand i 2D og en minking i krefter på rundt 50%. Dette kan også ha blitt påvirket av trykk-grensebetingelsene og løsnings-koden som er brukt. Turbulent simuleringen i 3D gir avvikende bølgeprofiler i forhold til de andre 3D-simuleringene. Dette var ikke forventet og resulterer i lavere krefter som virker på sylinderen og ingen separasjon