2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16941Für die Konzeptionierung und Auslegung einer schwimmenden Windkraftanlage ist eine Berechnung des Bewegungsverhaltens unter realen Betriebsbedingungen unabdingbar. Seegang und Meeresströmung haben einen maßgeblichen Einfluss auf das Bewegungsverhalten der Anlage. Für die Selbstausrichtung sind die Kräfte des Rotors und des Turms von besonderer Bedeutung. Das Verankerungssystem muss ebenfalls berücksichtigt werden. Bei einer numerischen Simulation zur Vorhersage des Bewegungsverhaltens einer sich selbst ausrichtenden schwimmenden Windkraftanlage ist also die Betrachtung aller Bereiche, Rotor-Aerodynamik, Hydrodynamik und Verankerung, unbedingt erforderlich. Die Bewegungen führen außerdem zu dynamischen Änderungen der Rotorumströmung. Schon kleinere Schwankungen der Plattform haben große Auswirkungen auf die Bewegung des Rotors. Dies führt zu starken Wechselwirkungen zwischen dem Rotor und seinem Nachlauf. Wie groß der Einfluss des Nachlaufs auf einen Flügel sein kann, zeigt sich z.B. bei Flugzeugen, die beim Starten immer einen gewissen Zeitabstand zum vorhergehenden Flugzeug wahren müssen. Bei einer schrägen Anströmung des Rotors kommt es zu einer Scherung des Nachlaufs. Um diesen Effekt zu simulieren, ist eine instationäre Berechnung des Nachlaufs mit sehr hoher Gitterauflösung nötig. Eine genaue Berechnung der hydrodynamischen Kräfte erfordert die Berücksichtigung der sich ständig ändernden benetzten Oberfläche der Plattform. Die Änderung resultiert sowohl aus der Bewegung der Plattform selbst als auch aus den Wellenbergen und -tälern. Zusätzliche Widerstandskräfte einer Meeresströmung sind insbesondere für die Selbstausrichtung bedeutend. Im Forschungsvorhaben MABOW, einem Teilprojekt des Verbundvorhabens HyStOH, wird die Paneelmethode panMARE für die Berechnung des Bewegungsverhaltens von schwimmenden Windkraftanlagen eingesetzt. Die Methode eignet sich sowohl für die Berechnung der Rotorumströmung und der resultierenden aerodynamischen Kräfte als auch für die Bestimmung der hydrostatischen und -dynamischen Drücke auf der Plattform. Im Vorhaben wurde das Rechengebiet des aerodynamischen Teils des Problems eng mit dem Rechengebiet des hydrodynamischen Teils gekoppelt. Das Modell der Plattform und des Rotors wird in beiden Rechengebieten synchron bewegt. Des Weiteren wurde eine Methode implementiert, mit deren Hilfe die vom Verankerungssystem ausgehenden Kräfte zur dynamisch berechnet werden können. Alle resultierenden Kräfte fließen in die Bestimmung des Bewegungsverhaltens ein. Auch die gyroskopischen Kräfte durch die Rotor-Rotation werden berücksichtigt. Die Paneelmethode panMARE ist in der Lage, das Bewegungsverhalten in einzelnen Lastfällen genau zu simulieren, und sie eignet sich insbesondere für die Analyse der Selbstausrichtung. Die passive Nachführung der Plattform und des Rotors kann unter stationären Bedingungen, das heißt bei konstantem Winkel zwischen Wind und Strömung bzw. Welle, vorhergesagt werden. Die Simulation des dynamischen Verhaltens bei einem Windrichtungswechsel oder sich ändernder Tidenströmung ist ebenfalls möglich. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde die erzielten Ergebnisse mit denen anderer Methoden verglichen und eine umfangreiche Verifikationsstudie durchgeführt. Für die untersuchten Lastfälle konnte eine gute Übereinstimmung festgestellt werden. Zurzeit werden Experimente im Windkanal durchgeführt, die zur Validierung des aerodynamischen Modells beitragen sollen. Anschließend wird die Plattform im Wellentank untersucht, um eine Validierung der gekoppelten Methode durchzuführen.The accurate prediction of the motion behavior of a floating wind turbine is a crucial issue in the design and development of new platforms. This applies in particular to the design of a self-aligning system, as the evaluation of the self-aligning ability requires the consideration of many influences. The self-aligning ability depends not only on the seaway and current forces, but also on aerodynamic loads, which are essentially induced by the turbine rotor and tower. In addition, the tension of the anchor lines, which keep the system in position, contributes significantly to the forces acting on the floating structure. Furthermore, additional forces are induced due to different the dynamic effects. Small roll and pitch motion amplitudes of the platform induce large motion amplitudes of the nacelle and the rotor in the longitudinal (along the rotation axis) and transversal directions. The motion along the longitudinal direction induces a complicated interaction between the rotor and its wake. The motion transverse induces a gyroscopic moment. A reliable simulation of the platform motion requires the consideration of all acting forces and moments. In the design process, the loads at different off-design conditions must be accurately evaluated. The applied numerical simulation method should be able to calculate the forces of the rotor, when its axis is not aligned with the wind direction. The unsteady hydrodynamic loads are strongly depending on the instantaneous wetted surface of the platform. Therefore, the relative position between the actual waterline of the platform and the wave elevation has to be updated at each instant of time. In particular for self-aligning floating wind turbine case, the drag force must be calculated with sufficient accuracy as it has a strong influence on the platform motion. The new simulation method panMARE is developed at the Institute for Fluid Dynamic and Ship Theory of the Hamburg University of Technology and is applied within the HyStOH-Project to simulate the comprehensive loads on turbine and platform. The method is based on potential theory and it is used to calculate the three dimensional flow field. The computation comprises the aerodynamic and the hydrodynamic flow fields. In the aerodynamic domain, the flow on the rotor, the wake shape of the rotor blades and the dynamic rotor-wake-interactions are included. In the hydrodynamic domain, the flow field on the three-dimensional geometry of the underwater body of the floating structure is computed. The simulation allows the computation of the instantaneous added mass matrix. Additional elements are included to consider the hull drag. Furthermore, a dynamic mooring model is used to capture loads acting along the mooring line. The strong coupling of aerodynamic and hydrodynamic domain and the consideration of the mooring lines forces ensures synchronized motions. The developed method panMARE is suitable especially for predicting the motions in many extreme load conditions and in particular for the analysis of the self-aligning capability. The passive aligning of platform and rotor can be simulated for different wind, current or wave angles. Dynamic conditions with changing flow directions or velocities can also be simulated. A verification study is carried out within the research project. The simulation results were compared with those of well-established numerical methods. For the investigated load cases, a good agreement was achieved. Wind tunnel experiments are conducted currently to validate the aerodynamic model. Wave tank experiments with the entire platform-rotor-configuration are in preparation.