Wprowadzenie
Wyznaczanie obciążeń eksploatacyjnych i ekstremalnych wywieranych na konstrukcje wsporcze turbin wiatrowych przez falowanie morskie realizowane było zarówno na podstawie analiz numerycznych, jak i eksperymentalnych badań modelowych. Cechy wyróżniające badania modelowe jako metodę wyznaczania obciążeń hydrodynamicznych są następujące:
- Badania prowadzone są na modelach wykonanych w skali, przy czym współczynnik skali dobierany jest na podstawie rozmiarów konstrukcji, rozmiarów dostępnego urządzenia badawczego (w tym przypadku basenu modelowego) oraz zakresu możliwości wywoływacza fal, tzn. najwyższa fala przewidziana w programie badań musi być możliwa do wygenerowania.
- Prowadzenie badań w skali skutkuje powstawaniem tzw. efektu skali: różnica pomiędzy siłami w skali rzeczywistej a siłami w skali modelowej wynika nie tylko z różnicy wielkości modelu i obiektu rzeczywistego, ale również z jakościowych różnic przepływu w skali modelowej i rzeczywistej na skutek różnicy liczby Reynoldsa (stosunku sił bezwładności do sił lepkości).
- Z powyższych powodów, wykorzystanie wyników badań modelowych jako danych projektowych wymaga znajomości wpływu efektu skali.
- Najważniejszą zaletą badań modelowych jest wykorzystanie fizycznych modeli oraz rzeczywistego przepływu wody, co z założenia wyklucza możliwość powstawania błędów związanych z matematycznym modelowaniem przepływu. Jak wspomniano, nie gwarantuje to stuprocentowo pewnego wyniku dla skali rzeczywistej. Wymieniona zaleta badań modelowych czyni je jednak doskonałym narzędziem do weryfikacji narzędzi numerycznych: obliczenia numeryczne symulujące wprost eksperyment w skali modelowej mogą być bezpośrednio weryfikowane na podstawie wyników eksperymentu, z definicji wolnych od błędów (pomijając nieznaczny błąd systematyczny wynikający z zakresu niepewności urządzeń pomiarowych).
Poniższy rysunek pokazuje schemat ideowy badań modelowych.
Analizowane w badaniach modelowych typy konstrukcji wsporczych to:
- posadowienie grawitacyjne
- tripod palowany
- tripod grawitacyjny
- monopal
Rodzaj przeprowadzanych analiz:
- określenie amplitudy siły wzdłużnej i momentu przewracającego w funkcji częstotliwości fali (tzw. funkcji przenoszenia)
- wyznaczenie prognozy amplitudy znaczącej siły wzdłużnej i momentu przewracającego dla zadanych stanów morza odpowiadających sztormowi roku, 10-lecia i 50-lecia.
Poniższe rysunki przedstawiają przykłady wyników pomiarów na fali regularnej i na fali nieregularnej.Narzędzia badawcze:
Narzędzia eksperymentalne:
- Pomocniczy basen modelowy Centrum Techniki Okrętowej S.A. o wymiarach: długość 65m; szerokość 7m; głębokość 3m.
- Obrotnica, tzn. pomocnicza konstrukcja pozwalająca na regulację położenia badanego obiektu względem swobodnej powierzchni oraz regulację kąta ustawienia tego obiektu względem kierunku fali.
- Dynamometr 6-składowy pozwalający na pomiar wszystkich składowych reakcji konstrukcji na falowanie na poziomie dna akwenu.
Narzędzia obliczeniowe:
- Program ANSYS AQWA, pozwalający na wyznaczenie oddziaływania falowania morskiego na zanurzony obiekt na podstawie teorii dyfrakcji.
Przyjęte uproszczenia:
W badaniach eksperymentalnych:
- Głębokość basenu nie odpowiada rzeczywistej głębokości akwenu, na który projektowana jest badana konstrukcja. Skutkiem tego uproszczenia jest zmiana pola prędkości wynikającego z ruchu falowego wody (tym większa, im mniejsza częstotliwość fali) oraz zmiana oddziaływania ruchu wody na badany obiekt w kierunku pionowym. Efekt ten jest częściowo wyeliminowany przez wprowadzenie płaskiej płyty pomiędzy obiektem a dynamometrem.
W obliczeniach numerycznych
- Przyjęty model obliczeniowy nie uwzględnia lepkości wody (przepływ potencjalny).
Warunki brzegowe w obliczeniach:
- Warunek brzegowy na powierzchni analizowanego obiektu oraz na dnie akwenu: zerowa prędkość przepływu w kierunku prostopadłym do powierzchni (warunek nieprzepuszczalności)
- Warunek brzegowy dla otoczenia analizowanego obiektu w dużej odległości od niego: niezakłócony ruch falowy wody.