Amplitude, frequency and synchronization analysis of tension-leg platforms under vortex-induced vibration

Resumen

Offshore wind energy has become an important energy source that is reducing the fossil fuel energy consumption and many nations oil dependence. One of the most promising solutions for installations on medium depths seas is the Tension Leg (TLEG) platform. These platforms are provided with tension-legs, cylinders under tensile stress, as their mooring system. The tension legs must be calculated to withstand Vortex-Induced Vibrations. Vortex-Induced Vibrations are a high hazard phenomenon for these platform structures that can lead to their failure and destruction. It is an extremely complicated phenomenon that links both flow and structure behavior as, at every instant, the results of flow feedback the structure behavior as well as this last one does it with the flow. A special case of VIV is that called synchronization. Synchronization, or lock in, is a VIV case where the vortex spreading frequency and the structure oscillation frequency are equal. This interaction between flow and structure makes the VIV to depend on several direct parameters: geometric as leg length and diameter, fluid dynamic as the flow velocity and structural as the leg material density and Young´s modulus. Computational simulation has become the tool, out of towing tanks, to analyze legs or risers since commercial computational links between the commercial fluid dynamic codes and their respective commercial structure calculus codes were developed back in 2006. Several works have been developed, still limited in comparison to the required ones to analyze such multi-parameter phenomenon. In fact, currently, all the works have focused on vary the Reynolds number, for a certain riser, in low value ranges and without analyzing the rest of parameters, not allowing the generalization of such results to other risers. The present work has focused on analyzing VIV by computational methods in a higher Reynolds number range of a larger riser, moving all parameters closer to the ones experienced by real facilities, analyzing the occurrence of synchronization and the effect of Reynolds number and the Young modulus. A summary of the main results is: The results point out the dependence of the oscillation amplitude with the Reynolds number and flow direction, the relationship between the flow and oscillation frequency and the action of the induced tension and the significant synchronization in the rigid cylinder case. A energy balance and a preliminary qualitative analysis of similar risers are also presented. ----------RESUMEN---------- La energía eólica marina se ha convertido en una fuente de energía importante capaz de reducir tanto el consumo de combustibles fósiles como la dependencia de las naciones del petróleo. Una de las soluciones de mayor interés para instalaciones de profundidades medias es la plataforma de tension leg, o plataforma TLEG por tener este medio de amarre. Estos elementos deben ser calculados para soportar Vibraciones Inducidas por Vórtices, o VIV por su acrónimo. Las Vibraciones inducidas por vórtices son un fenómeno que supone una amenaza para la integridad de la plataforma. Es un fenómeno complejo en el que los aspectos fluidodinámicos y estructurales están interrelacionados y, a cada instante, se retroalimentan mutuamente. Un caso especial de VIV es el llamado sincronización. La sincronización es el caso donde la frecuencia de desprendimiento de los vórtices y la frecuencia de oscilación de la estructura se hacen iguales. Esta interacción entre el flujo y la estructura hace que las VIV dependan de varios parámetros directos: geométricos, como la longitud y el diámetro de la leg; fluidodinámicos, como la velocidad del flujo y estructurales, tales como la densidad del material del que la leg está construida y su módulo de Young. Las simulaciones computacionales se han convertido en la otra herramienta disponible para analizar legs y risers, además de los canales de ensayo, desde la aparición en 2006 de las aplicaciones comerciales que conectaban los anteriormente desarrollados códigos de fluidodinámica y de cálculo de estructuras. Se han publicado varios trabajos en dicho campo, todavía en número bastante reducido. De hecho, actualmente, todos los trabajos se han centrado en variar el número de Reynolds, para un determinado riser, dentro de rangos de valores bajos, sin analizar el resto de los parámetros e impidiendo la generalización de dichos resultados a otros risers. En el presente trabajo se ha analizado, mediante métodos computacionales, un riser de dimensiones y rango de numero de Reynolds mayores, acercándose a los de instalaciones reales, analizándose la aparición de la sincronización, así como el efecto del número de Reynolds y del módulo de Young. Un pequeño resumen de los resultados de esta tesis es: Los resultados muestran la dependencia de la amplitud de oscilación con el número de Reynolds y la dirección del flujo, la relación entre el flujo y la frecuencia de oscilación y el efecto de la tensión inducida, así como que la sincronización es importante para el caso del cilindro rígido. Se muestra también un balance de energía y un análisis preliminar cualitativo de risers parecidos.