Experimental and Numerical Study of Non-Linear Motions of Ocean Farm 2 at Inspection Draught

Den raskt voksende befolkningen og utfordringene knyttet til klimaendringer krever en betydelig økt matproduksjon, som må være bærekraftig. Fiskeoppdrett er en ekspanderende næring som kan bidra til å løse disse utfordringene. Dagens standard for oppdrettsanlegg i Norge kan håndtere en relativt lav sjøtilstand, noe som begrenser aktuelle plasseringer til inne i fjorder. Derfor, for å muliggjøre ytterligere vekst må fiskemerdene kunne håndtere tøffere værforhold og flytte til mer utsatte lokasjoner. Ocean Farm 2 er designet for utsatte områder, og dens bevegelser ved inspeksjonsdypgang er tema for denne oppgaven. Fribordet ved inspeksjonsdypgang er bare 30 cm, hvilket mest sannsynlig gjør at bølger vil overtoppe pontongen og den vil neddykkes ofte. Disse sterkt ikke-lineære effektene og deres implikasjoner på den globale bevegelsen til strukturen er studert nærmere. Metoden for å estimere de ikke-lineære bevegelsene involverer en tre-trinns prosess. Først er de de lineære bevegelsene estimert med WAMIT. Videre er bølge-overtopping og neddykking av pontongene for et 2D-tverrsnitt av bunnpontongen studert. Til slutt er den lineære løsningen kombinert med ikke-lineære korreksjonsfaktorer i en tidsdomene-simulator. Den potensielle strømningsløseren WAMIT ble brukt for å beregne de lineære bevegelsene. En panel modell av den våte delen av strukturen ble laget for dette formålet. Jag, hiv og stamp bevegelser ble funnet, i tillegg til tilleggs-masse, demping, stivhet og eksitasjonskoeffisienter. Trykkene på hvert panel fra diffraksjon og radiasjon ble også funnet, og ble brukt i tidsdomene-simulatoren for å lokalt korrigere for bølge-overtopping og vann på pontongdekket. Forsøk ble utført på en Froude-skalert modell med likt tverrsnitt som bunnpontongen til Ocean Farm 2. Forsøkene besto av den fastholdte modellen i innkommende regulære bølger for å studere eksitasjonskreftene og tvunget hiv for å finne tilleggs-masse og demping. Testene ble utført med og uten en avtagbar toppforlengelse, som hindret bølgeovertopping og vann på pontongdekket. Resultatene ble sammenlignet for å etablere ikke-lineære de korreksjonsfaktorene, som ble brukt senere i tidsdomene-simulatoren. Innkommende regulære bølger ble også simulert ved bruk av CFD-programvaren OpenFOAM. Konvergensstudie av domenets dekomponering og tidssteg viste at simulering av bølger med liten amplitude var mest krevende. Resultatene stemte godt overens med eksperimentene, spesielt for økende bølge perioder. Videre ble det etablert en tidsdomene-simulator for å kombinere de lineære resultatene fra WAMIT med de ikke-lineære korreksjonsfaktorene funnet i eksperimentene og CFD-simuleringene. Simulatoren korrigerte diffraksjons og radiasjonstrykket avhengig av bølgeovertoppingen og dekkoversvømmelse ved plasseringen av hvert panel. Den gjenopprettende stivheten var også justeres avhengig av vannplanområdet, som reduseres betydelig når strukturen lavere enn fribordet. Resultatene viser at bølgeovertopping forårsaker en reduksjon i eksitasjonskreftene, mens vann på pontongdekket resulterer generelt i økt tilleggs-masse og demping. Resultatet av disse ikke-lineære effektene er en betydelig reduksjon i bevegelsesamplituden og størrelsen avhenger blant annet av bølgesteilheten. Den økte tilleggs-massen førte til at resonansperioden endret seg litt mot høyere bølgeperioder