A6 – Modellbildung zur Vorhersage von Bauteil- und Arbeitsschiffbewegungen im Seegang

Kurztitel: Bauteil- und Arbeitsschiffbewegungen im Seegang

Die Vorhersage der Bewegungen von Offshore-Arbeitsschiff und eventuellem Krangut in Relation zur Anlage ist für Installations- und Wartungsvorgänge von sehr großer Bedeutung, sowohl in Bezug auf sicherheitstechnische als auch auf finanzielle Aspekte.

Zum einen hat die Sicherheit der Techniker auf hoher See bei unterschiedlichen Offshore-Operationen (Übergang von Schiff auf Anlage, Installation von Bauteilen am Kran) für die ausführenden Unternehmen sowie für die Energieversorger höchste Priorität. Zum anderen können die Installations- und Wartungskosten über 25 % des LCOE (Levelized Cost of Energy) einer bottom-fixed Windenergieanlage ausmachen. Die Sicherheit und die Kosten hängen direkt zusammen, da bei Überschreitung der Grenzwerte für die jeweiligen Offshore-Operationen lange Standzeiten der gecharterten Arbeitsschiffe entstehen, die die Kosten in die Höhe treiben. Daher ist die Vermeidung bzw. Verringerung dieser Standzeiten ein entscheidender Punkt zur Kostenreduktion mit dem Ziel, dass die Offshore-Windenergie zu günstigen Energiepreisen ins Netz eingespeist werden kann.

Um die Standzeiten zu verringern, ist eine detaillierte Kenntnis über die Bewegung der Bauteile nötig. Hierzu wird in Teilprojekt A06 ein echtzeitfähiges Modell entwickelt, welches in der Planung solcher Offshore-Operationen eingesetzt werden kann, aber auch in Kombination mit einem Seegangsradar auf dem Schiff zur Echtzeitvorhersage der Bewegungen genutzt werden könnte.

Das Modell basiert dabei auf der Bewegungsgleichung schwimmender Strukturen im Seegang. In diese fließen verschiedene hydrodynamische Parameter ein, wie z. B. die hydrodynamische Masse, die Dämpfung und die Wellenkraft. Viele dieser Parameter können mit etablierten Simulationsmodellen auf Basis der Potentialtheorie vorab bestimmt werden. Allerdings berücksichtigen diese Modelle keine Viskositätseinflüsse, sodass insbesondere die Dämpfung in der Bewegungsgleichung unterschätzt wird. Dies führt zu fehlerhaften Bewegungsvorhersagen. Daher liegt der erste Fokus dieses Teilprojekts auf einer Parametrisierung der hydrodynamischen Kennwerte unter Verwendung von Forced Oscillation Tests. Diese Tests werden zunächst im Modellversuch durchgeführt, sodass ein numerisches Modell basierend auf den Versuchsdaten validiert und dieses anschließend zur Erweiterung der Erkenntnisse genutzt werden kann. Ein numerisches Modell hat insbesondere in der Visualisierung der Strömungsverhältnisse im Strukturnahfeld Vorteile, da dies im Modellversuch nur über aufwändige PIV-Untersuchungen möglich ist. Diese PIV-Untersuchungen werden im TP A06 zusätzlich mit Fokus auf die Erstellung von Validierungsdatensätzen durchgeführt und ergänzen somit das Programm der Modellversuche.

Abb. 1: Vergleich der Ergebnisse des echtzeitfähigen Modells mit einem kommerziellen Potentialtheorie-Code

Der Fokus dieser Untersuchungen liegt auf der Parametrisierung der hydrodynamischen Kennwerte bzw. des Einflusses viskoser Effekte. Hierbei liegt ein besonderer Schwerpunkt auf der Modellierung des Einflusses von Anbauteilen wie z. B. Bilge Keels oder Heave Plates, welche die Bewegungsantwort unter Wellenbelastung verringern sollen und somit zur Erhöhung der Sicherheit und der Verringerung von Standzeiten und Kosten beitragen können. Hierbei werden auch Synergieeffekte mit anderen Teilprojekten untersucht, wie z.B. TP A04, welches Kolkschutzsysteme untersucht.

Der zweite Fokus des Teilprojekts liegt auf der Erstellung des echtzeitfähigen Modells mit mehr als 6 Freiheitsgraden sowie die Berücksichtigung von nicht-linearen Effekten. Das auf der Bewegungsgleichung basierende Modell ist linear, sodass die nicht-linearen Effekte durch zusätzliche Teilmodelle berücksichtigt werden müssen. Eine besondere Herausforderung ist hierbei die Beibehaltung der Echtzeitfähigkeit.

Schlussendlich soll das erstellte Modell an den digitalen Zwilling angebunden und von Teilprojekt B01 schon im Entwurf der Substruktur verwendet werden, um hydrodynamisch nachteilige Entwürfe, die bei Installation und/oder Wartung zu erhöhten Wartezeiten, Kosten oder Risiken für das Arbeitspersonal führen, zu verwerfen und die logistisch optimalen Designs zu identifizieren.

Abb. 2: Mesh der 2D-Simulation eines Forced-Oscillation-Tests in Roll-Bewegungsrichtung

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