C F D a n d h y d r o d y n a mi c s


R E LI A B L E, R E A LI S TI C W A V E F O R C E A N A L Y SI S


R o b M el vill e a n d J o h a n D a el m a n of off s h or e t e c h ni c al s ol uti o n s pr o vi d er K e nt e x pl ai n h o w l e v er a gi n g C F D i n t a n d e m wit h p ot e nti al fi o w m o d elli n g c a n b ett er c a pt ur e criti c al w a v e c o n diti o n s i n r el ati o n t o off s h or e wi n d t ur bi n e m o n o pil e s


O


ff s h or e wi n d t ur bi n e s ar e s u bj e ct t o a v ari et y of d y n a mi c e n vir o n m e nt al f or c e s, a m o n g st


w hi c h w a v e r u n - u p o n m o n o pil e f o u n d ati o n s i s of p arti c ul ar c o n c er n. T hi s r u n - u p c a n g e n er at e si g ni fi c a nt i m p a ct f or c e s o n s e c o n d ar y str u ct ur e s, s u c h a s e xt er n al w or ki n g pl atf or m s a n d a c c e s s arr a n g e m e nt s. A c c ur at e pr e di cti o n of t h e s e f or c e s i s cr u ci al f or d e si g ni n g r o b u st a n d r e sili e nt s e c o n d ar y str u ct ur e s, p arti c ul arl y u n d er e xtr e m e w a v e c o n diti o n s.


S e mi- e m piri c al m o d el s u s e e st a bli s h e d w a v e t h e or y, e m piri c al c orr el ati o n s a n d si m pli fi e d a s s u m pti o n s t o e sti m at e w a v e r u n- u p h ei g ht s. W hil e t h e y ar e c o m p ut ati o n all y ef fi ci e nt a n d wi d el y u s e d i n e n gi n e eri n g pr a cti c e, t h e y l a c k t h e s p ati al r e s ol uti o n n e e d e d f or c o m pl e x g e o m etri e s a n d t h er ef or e t e n d t o b e u s e d i n a n o v erl y c o n s er v ati v e m a n n er, w hi c h c a n r e s ult i n c o stl y o v er- e n gi n e eri n g of str u ct ur e s.


L e v e r a gi n g C F D F or m a n y y e ar s, C F D h a s pr o vi d e d a p o s si bl e alt er n ati v e a p pr o a c h t o m o d elli n g t h e f or c e s r e s ulti n g fr o m w a v e r u n - u p. C F D all o w s t h e 3 D g e o m etr y of a n off s h or e m o n o pil e t o b e a c c o u nt e d f or (i n cl u di n g f e at ur e s s u c h a s w or ki n g pl atf or m s), c al c ul at e s t h e tr a n si e nt i nt er a cti o n of t h e w a v e wit h t h e str u ct ur e a n d all o w s t h e pr e s s ur e l o a di n g a cr o s s t h e str u ct ur e t o b e e xtr a ct e d. T h e p h y si c s


m o d el s e m pl o y e d al s o all o w f or f e at ur e s s u c h a s br e a ki n g w a v e s t o b e m o d ell e d.


H o w e v er, d u e t o pr a cti c al pr oj e ct b u d g et a n d s c h e d ul e c o n str ai nt s, C F D h a s t y pi c all y b e e n e m pl o y e d o nl y f or a f e w s c e n ari o s, a n d t e n d s t o b e u s e d t o m o d el r e g ul ar w a v e s. A v ari et y of diff er e nt r e g ul ar w a v e pr o fil e s c a n b e u s e d, i n cl u di n g li n e ar a n d n o n -li n e ar, w hi c h c a n b e ti e d b a c k t o s p e ci fi c e xtr e m e s e a st at e s (f or e x a m pl e, o n e i n 5 0 - y e ar w a v e e x c e e d a n c e s).


Alt h o u g h t hi s c a n l e a d t o e x c ell e nt pr e di cti o n of l o a di n g u n d er c ert ai n m o d ell e d c o n diti o n s, c o n c er n h a s b e e n e x pr e s s e d a s t o w h et h er s u c h a p pr o a c h e s m a y n e c e s s aril y g u ar a nt e e c o n s er v ati v e or ‘ w or st- c a s e’ r e s ult s t h at c a n b e a p pli e d t o t h e str u ct ur al d e si g n, b e c a u s e si m ul ati n g o nl y a f e w r e g ul ar w a v e s m a y n ot a c c ur at el y r e pr e s e nt t h e c h ar a ct eri sti c s of t h e w a v e s t h at g e n er at e t h e hi g h e st r u n - u p f or c e s o n a str u ct ur e. T hi s i s b e c a u s e r e al s e a st at e s ar e i n h er e ntl y irr e g ul ar, a n d t h e n o n -li n e ar i nt er a cti o n s b et w e e n t h e c o m p o n e nt s of irr e g ul ar w a v e s c a n pr o d u c e eff e ct s t h at i d e ali s e d r e g ul ar w a v e m o d el s c a n n ot c a pt ur e.


F or i n st a n c e, t h e l o c al st e e p n e s s of i nt er a cti n g irr e g ul ar w a v e s m a y e x c e e d t h e br e a ki n g li mit of r e g ul ar w a v e s. Si n c e t h e f or c e s fr o m w a v e r u n- u p o n a str u ct ur e d e p e n d, a m o n g ot h er f a ct or s, o n w a v e st e e p n e s s, u si n g a n irr e g ul ar w a v e m o d el all o w s f or a m or e a c c ur at e r e pr e s e nt ati o n of t h e s e f or c e s.


I r r e g ul a r s e a st at e s T o a d dr e s s t hi s c o n c er n, a n alt er n ati v e a p pr o a c h i s r e q uir e d t o m o d el a m or e r e ali sti c s eri e s of w a v e s.


O n e a p pr o a c h i s t o m o d el a ti m e s eri e s of irr e g ul ar w a v e s f or a n e xt e n d e d p eri o d of p h y si c al ti m e (i e, s e v er al h o ur s) o v er a l ar g e d o m ai n all o wi n g n o n -li n e ar i nt er a cti o n b et w e e n irr e g ul ar w a v e c o m p o n e nt s t o a c hi e v e irr e g ul ar, n o n-li n e ar w a v e s r e pr e s e nt ati v e of e xtr e m e s e a c o n diti o n s ( s e e Fi g ur e 1). T hi s w o ul d b e a n e xtr e m el y c o stl y a n d ti m e- c o n s u mi n g e n d e a v o ur wit h 3 D C F D m o d elli n g. H o w e v er, t hi s c a n i n st e a d b e a c hi e v e d u si n g l e s s c o m p ut ati o n all y e x p e n si v e s ol v er s, s u c h a s p ot e nti al fi o w s ol v er s ( w hi c h a s s u m e i n vi s ci d, irr ot ati o n al fi o w) or e v e n 2 D C F D si m ul ati o n s, a n d n e e d n ot i n cl u d e t h e g e o m etr y of t h e m o n o pil e.


Fi g u r e 1: A n e x a m pl e n o n -li n e a r a n d i r r e g ul a r w a v e fl el d, b a s e d o n p ot e nti al fi o w t h e o r y


5 6 T H E N A V A L A R C HI T E C T


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