Investigation of motions on floating offshore platforms
Yüzer açık deniz platformlarının hareketlerinin incelenmesi
- Tez No: 874212
- Danışmanlar: PROF. DR. KADİR SARIÖZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Deniz Bilimleri, Gemi Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Marine Science, Marine Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Açık Deniz Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 123
Özet
Türkiye ihtiyaç duyduğu enerjinin önemli bir kısmını ithal ettiği fosil yakıtlar vasıtası ile üreten bir ülkedir. Bu bağlamda hem atmosfere saldığı karbon salınımını sınırlaması; hem de dışa bağımlılığını azaltması açısından enerji üretim yöntemlerini çeşitlendirmeyi hedeflemelidir. Hedeflenen yeni yöntemlerin, sürdürülebilir ve çevreye olumsuz etkilerinin az olması gerektiği düşünüldüğünde yenilenebilir enerji kaynaklarından birine yönelmek mantıklı olacaktır. Türkiye özelinde değerlendirildiğinde; en olası yenilebilir enerji kaynaklarından biri, bulunduğu coğrafyadaki potansiyeli açısından rüzgâr enerjisidir. Ülke bu potansiyeli görmüş ve özellikle son yıllarda rüzgâr enerjisi üretmek üzerine odaklanmıştır. Bu kapsamda karada konuşlanmış rüzgâr enerjisine büyük miktarda yatırım yapılmıştır. Ancak çok daha verimli ve potansiyel vadetmesine karşın açık deniz rüzgâr enerjisi alanında herhangi bir gelişme yaşanmamıştır. Bu durumun temel sebebi, Türkiye'yi çevreleyen denizlerin çok derin olmasıdır. Derin denizler doğrudan deniz tabanına entegre olan konvansiyonel açık deniz platformlarının inşasına teorik ve ekonomik açıdan imkân vermemektedir. Şu anda açık deniz sahalarında konuşlanmış; üzerlerinde rüzgâr türbinleri veya hidrokarbon kaynakları işleyen rafineri tesisleri barındıran açık deniz platformları mevcuttur. Özellikle Batı Avrupa ülkelerinin açıklarında, Baltık Denizinde ve Britanya adalarının çevrelerinde pek çok örnek bulunmaktadır. Ancak buradaki platformların neredeyse tamamı yere entegre konvansiyonel platformlardır. Bahsi geçen sahalardaki denizlerin sığ olması, görece düşük maliyet ve eforla bu platformların faaliyet göstermesini sağlamaktadır. Bunun yanında dünyanın çeşitli yerlerindeki açık deniz sahalarında, yüksek ekonomik gelir getirisi sunan hidrokarbon yataklarının işlenebilmesi için yarı batık tipte tasarlanmış yüzer platformlar mevcuttur. Ancak bu platformlar, yapım maliyeti çok yüksek ve bu çalışmada incelenenlere nazaran devasa yapılardır. Bu tarz platformların ciddi bir ekonomik potansiyel vadetmeden inşa edilmesi efektif ve mantıklı değildir. Son yıllarda gelişen teknoloji, derin denizler için daha küçük boyutlarda yüzer açık deniz platform sistemlerinin tasarlanmasına ve imal edilebilmesine imkân sunmuştur. Ancak daha öncesinde bu imkanların olmaması sebebiyle dünya üzerinde örnekleri çok azdır. Bu sebepten ötürü bu tarz platformların AR-GE faaliyetleri henüz devam etmektedir. İdeal olan tasarım ve uygulama metotları henüz keşfedilmemiştir. Türkiye, açık denizde bulundurduğu potansiyeli itibariyle açık deniz rüzgâr enerjisinden ziyadesiyle istifade edebilecek bir ülkedir. Bugüne kadar imkân dahilinde olmadığı için bu konu üzerine yapılan çalışmalar kısıtlıdır. Yapılan çalışmaların ciddi bir kısmı da platformların tasarımı ve hayata geçirilmesi üzerine odaklanmamıştır. Genellikle ülkenin bu konudaki ekonomik potansiyelinden, olası uygulama sahalarından ve hangi yöntemlerle uygulanabileceğinden bahsedilmiştir. Bu tez çalışması bu eksikliğe binaen hazırlanmıştır. Bunun yanında aynı zamanda çalışma kapsamında yüzer bir açık deniz platformunun konsept tasarımının nasıl oluşturacağına dair bir metodoloji de sunulmuştur. Bu metodolojinin sadece yüzer açık deniz rüzgâr türbinlerinin üzerinde kullanılması zorunlu değildir. Farklı amaçlara hitap eden yüzer açık deniz platformları için de bu çalışmadakine benzer bir metodoloji izlenebilir. Üç tarafı derin denizlerle çevrili bir ülke olan Türkiye'nin denizlerinden tam anlamıyla istifade edebilmesinin bir koşulu da açık deniz sahalarındaki faaliyetlerinin artmasından geçmektedir. Yüzer açık deniz platformları, imal edilmesi ve ihtiyaç duyulan sahaya uygulaması oldukça zahmetli ve bir o kadar da maliyetli yapılardır. Yapıldıktan sonra da ekonomik ömrünü tamamlayacağı süre boyunca sürekli hizmet vermesi beklenen yapılardır. Gemiler gibi kendi tahrik sistemleri (hareket kabiliyetleri) olmadıkları ve devasa boyutlarda oldukları için uygulama sahasına yerleştirdikten sonra hareket etmeleri mümkün değildir. Bu sebeple yüzer açık deniz platformları için bakım onarım faaliyetleri gemilerdeki kadar uygulanması kolay bir prosedür değildir ve tasarım ömrünün sonuna kadar büyük çaplı bir bakım onarıma girmemeleri tercih edilir. Bütün bu bağlamda bir yüzer açık deniz platformu dizayn edilirken doğru tasarım konseptinin belirlenmiş olması hayati önem arz etmektedir. Yüzer açık deniz platformları, kompleks geometrileri ve akışkan davranışının karmaşıklığı yüzünden, çoğu zaman konvansiyonel analitik yöntemler ile hareketlerinin incelemesi zor olan yapılardır. Bu nedenle sayısal yöntemlerden istifade edilerek platform hareketlerinin incelenmesi önemlidir. Ancak böylesi büyük yapılarda prototip üretmenin çok maliyetli olması nedeniyle yapılacak sayısal yöntemlerin deneysel çalışmalarla desteklenerek doğrulanması da ayrıca önemlidir. Bu çalışma kapsamında ilk olarak yüzer açık deniz rüzgâr türbinlerinden ana hatlarıyla bahsedilmiştir. Türbin sisteminin çalışma prensibi, uygulama sahalarına göre platform çeşitleri, uygulama koşulları kısaca anlatılmıştır. Sonrasında yüzer açık deniz yapılarının hareketlerinin teorik ve matematiksel arka planı incelenmiştir. Öncelikle tek serbestlik dereceli hareket ve bu hareketin alt bileşenleri detaylandırılmıştır. Buradan hareketle altı serbestlik dereceli hareket anlatılmıştır. Buna ek olarak hareketin kendisi ile beraber, harekete sebebiyet veren dış etkilerin de nasıl tespit edildiği de anlatılmıştır. Dış etkiler de yine matematiksel olarak ifade edilmiştir. Çalışmada anlatılan matematiksel arka plan, analitik ve sayısal çözümlerin nasıl yapıldığını detaylandırmaktadır ve çözümlerde kullanılmıştır. Bu çalışmada yüzer bir açık deniz platformunun hareketlerinin incelenmesi için iki aşamalı bir yöntem kurgulanmıştır. İlk aşamada analitik çözümü kolaylıkla yapılabilecek ve kompleks geometride kullanılan basit bir geometri seçilmiş ve analitik çözümü yapılmıştır. Sonrasında bahsi geçen bu basit geometrinin sayısal çözümü yapılmıştır. Ardından yapılan bu sayısal çözüm ile analitik çözüm kıyaslanarak sayısal çözümün doğrulanması amaçlanmıştır. Burada seçilen basit geometri yüzer dikey yuvarlak bir silindirdir. Sayısal çözüm için ise ANSYS Workbench içinde alt modül bir yazılım olan AQWA kullanılmıştır. AQWA; ağlama mantığıyla çalışan, sonlu elemanlar temelli bir yazılımdır. Yazılım üç boyutlu panel metodu ile çalışır. Teorik olarak akışkanın ideal olması ön kabulü vardır. Viskoz etkiler ihmal edilir. İkinci aşamada doğrulanmış sayısal çözüm yöntemi ile seçilen nihai kompleks geometri çözülmüştür. Yapılan sayısal çözüm ile aynı geometri üzerine laboratuvar ortamında uygulanmış deneysel çözümler mukayese edilmiş ve bu mukayese neticesinde sayısal çözümün gerçekçiliği tartışılmıştır. Sonuçları irdelenen kompleks geometri, direk tipi yüzer bir açık deniz platformudur. Platform, üzerinde bir rüzgâr türbiniyle beraber hizmet verecek şekilde tasarlanmıştır. Özellikle batan hacimler kıyaslandığında basit geometri ile benzeşmektedir. Yapılan iki aşamalı çözüm yönteminin ilk aşamasında tatmin edici sonuçlara ulaşılmıştır. İlk aşamada sayısal çözüm için hedeflenen doğrulama çalışmasında, analitik çözüm ile sayısal çözüm sonuçları oldukça uyumlu gelmiştir. Bu sonuç ile kullanılan sayısal yöntemin bu tarz bir geometri için doğrulandığı söylenebilir. İkinci aşamada da yine tatmin edici sonuçlar elde edilmiştir. Nihai geometri üzerinde deneysel çözüm ile doğrulanmış sayısal çözüm uygulanmıştır. Deneylerde farklı deniz koşulları için bağlama hatları olan ve olmayan iki ayrı temel senaryo çalışılmıştır. Bağlama halatlarının olduğu ve olmadığı iki ayrı senaryonun çalışılması, halat etkisinin değerlendirilmesi açısından değerlidir. Sonuçları kıyaslanan bütün parametreler için, iki temel senaryoda da sonuçlar benzeşmiştir. Sonuçların incelendiği aralıklarda artış ve azalış trendleri birbiriyle uyumlu gelmişlerdir. Sonuç mertebeleri de genel itibarıyla incelenen bütün parametreler için uyuşmaktadır. Sayısal çözüme ait sonuçlardaki tepkilerin, doğal frekansın olduğu yerde noktasal olarak çok büyük çıktığı gözlenmiştir. Bu durumun temel sebebi incelenen bütün parametrelerin frekansa olan aşırı duyarlılığıdır. Sayısal çözümlerde doğal frekans çok düşük hata payları ile modele uygulanabilmektedir. Bu da doğal frekansta oluşan pik tepkilerin yakalanabilmesine olanak sağlamaktadır. Deneysel çözümlerde ise frekans çözünürlüğü deney düzeneğinin kabiliyeti ile alakalıdır. Frekans çözünürlüğü sayısal çözüme nazaran kısıtlıdır. Bu da doğal frekanstaki pik tepkilerin yakalanamamasına sebep olmaktadır. Bu durum incelenen bütün parametrelerde ve bütün senaryolarda gözlenmiştir. Bağlama halatlarının olduğu ve olmadığı sonuçlar ayrı ayrı kıyaslandığında iki senaryo için de uyumlu sonuçlar alınmıştır. Bu da çözümlerin demirleme etkisini doğru yansıttığını göstermektedir. Direk tipi yüzer bir açık deniz platformu için uygulanan çözüm yöntemlerinin için gerçekçi ve kabul edilebilir sonuçlar verdiği söylenebilir. Ancak bu çalışma kapsamında yalnızca dalga kaynaklı oluşacak yükler araştırılmıştır. Bunun yanında rüzgâr ve akıntı kaynaklı yüklerin de platforma oluşturacağı etkilerin araştırılması faydalı olacaktır. Ancak yüzer bir yapı için majör yüklerin dalga kaynaklı yükler olduğu düşünüldüğünde çalışmada elde edilen sonuçlar değerlidir. Uygulanan çözümlerin geçerliliğinin araştırılmasının yanında platformun ekonomik ömrü boyunca rezonansa girme tehlikesi olup olmadığı da araştırılmıştır. Bunun için öncelikle yapının hareketleri için doğal frekanslar belirlenmiştir. Doğal frekanslar analitik, nümerik ve deneysel olmak üzere üç farklı yöntemle tespit edilmiştir. Bütün yöntemler için tespit eden değerler birbiriyle uyumlu gelmiştir. Buradan hareketle doğal frekansların güvenilir olduğu söylenebilir. Sonrasında yapının ekonomik ömrü boyunca karşılaşabileceği en ekstrem deniz koşulları araştırılmıştır. Bunun için Türkiye denizlerinde oluşabilecek en büyük dalga boylarının hangi frekanslarda oluşacağı öngörülmeye çalışılmıştır. İlaveten farklı deniz durumları için Pierson-Moskowitz dalga spektrumları oluşturulmuş ve spektrumların pik değerlerinin hangi frekanslarda oluştuğu tespit edilmiştir. Son olarak doğal frekanslar ile en ekstrem deniz koşulları için tespit edilen frekans değerleri kıyaslanmıştır. Platforma ait doğal frekans değerlerinin ekstrem deniz koşullarının beklendiği frekanslardan çok daha küçük olduğu görülmüştür. Bu durum platformun ekonomik ömrü boyunca rezonansa girme tehlikesinin olmadığını göstermektedir. Bu da yüzer bir deniz yapısının uygulanabilirliği açısından oldukça önemli ve olumludur.
Özet (Çeviri)
Türkiye is a country that produces a significant portion of the energy it needs through imported fossil fuels. It should aim to diversify its energy production methods to reduce its dependence on foreign sources. Considering that the new methods targeted should be sustainable and have low adverse effects on the environment, it would be logical to turn to one of the renewable energy sources. When evaluated specifically in Türkiye, wind energy is one of the most probable renewable energy sources in terms of its potential in geography. The country has seen this potential and has focused on producing wind energy, especially in recent years. In this context, a large amount of investment has been made in land-based wind energy. However, although it is much more efficient and promises potential, there has been no development in offshore wind energy. The main reason for this situation is that the seas surrounding Türkiye are profound. Deep seas do not allow the construction of conventional offshore platforms directly integrated into the seabed, theoretically and economically. Currently deployed in offshore areas, offshore platforms host wind turbines or refinery facilities that process hydrocarbon resources. Many examples exist in the Baltic Sea and around the British Isles, especially off the coast of Western European countries. However, almost all platforms here are conventional platforms integrated into the ground. The shallowness of the seas in the mentioned areas enables these platforms to operate at a relatively low cost and with little effort. In addition, semi-submerged floating platforms are designed to process hydrocarbon deposits that offer high economic income in offshore fields worldwide. However, these platforms have high construction costs and are immense structures compared to those examined in this study. Building such platforms without promising a severe economic potential is impractical or logical. Developing technology in recent years has made it possible to design and manufacture smaller floating offshore platform systems for the deep sea. However, the R&D activities of such platforms are continuing. Türkiye is a country that can benefit significantly from offshore wind energy due to its offshore potential. Studies on this subject are limited. A significant part of the studies did not focus on the design and implementation of the platforms. Generally, the economic potential of the country in this regard, possible application areas and the methods by which it can be applied are mentioned. This thesis study was prepared based on this deficiency. In addition, a methodology for creating the concept design of a floating offshore platform is also presented within the scope of the study. This methodology is not necessarily used only on floating offshore wind turbines. A methodology used in this study can be followed for floating offshore platforms that serve different purposes. Within the scope of this study, floating offshore wind turbines are first mentioned in outline. The working principle of the turbine system, platform types according to application areas and application conditions are briefly explained. Afterwards, the theoretical and mathematical background of the movements of floating offshore structures was examined. First, a single degree of freedom (DOF) motion and its subcomponents are detailed. Based on this, motion with six degrees of freedom is explained. In addition, how the external effects that cause the movement are detected and the movement itself is also explained. External effects are also expressed mathematically. The mathematical background explained in the study details how analytical and numerical solutions are made and used in the solutions. In this study, a two-stage method was designed to examine the movements of a floating offshore platform. In the first stage, a primary geometry that can be easily solved analytically and used in complex geometry was selected, and its analytical solution was made. Afterwards, the numerical solution of this simple geometry was made. Then, the aim was to verify the numerical solution by comparing this numerical solution with the analytical solution. The simple geometry chosen here is a floating vertical circular cylinder. AQWA, a submodule software within ANSYS Workbench, created the numerical solution. AQWA: It is a finite element-based software that works with meshing logic. The software works with the three-dimensional (3D) panel method. Theoretically, it is assumed that the fluid is ideal. Viscous effects are neglected. In the second stage, the selected final complex geometry was solved by the validated numerical solution method. The numerical solution was compared with the experimental solutions applied in the laboratory environment on the same geometry, and because of this comparison, the realism of the numerical solution was discussed. The complex geometry whose results are examined is a mast-type floating offshore platform. The platform is designed to serve with a wind turbine on it. Especially when comparing sinking volumes, they resemble the primary geometry. Satisfactory results were achieved in the first stage of the two-stage solution method. The analytical and numerical solutions' results were compatible with the verification study targeted for the numerical solution in the first stage. With this result, it can be said that the numerical method used is validated for this type of geometry. In the second stage, satisfactory results were again obtained. The numerical solution verified by the experimental solution was applied to the final geometry. In the experiments, two separate basic scenarios with and without mooring lines were studied for different sea conditions. Studying two scenarios, with and without mooring lines, is valuable in evaluating the mooring effect. For all parameters whose results were compared, the results were similar in the two basic scenarios. Increasing and decreasing trends were consistent in the intervals where the results were examined. The resulting levels are generally consistent for all parameters examined. It has been observed that the responses in the results of the numerical solution are huge at points where the natural frequency is. The main reason for this situation is the extreme sensitivity of all examined parameters to frequency. In numerical solutions, natural frequency can be applied to the model with meagre error margins. This situation captures the peak responses occurring at the natural frequency. In experimental solutions, frequency resolution is related to the capability of the experimental setup. Frequency resolution is limited compared to numerical solution. The limitation causes the peak responses at the natural frequency not to be captured. This situation was observed in all parameters and all scenarios examined. Compatible results were obtained for both scenarios when the results with and without mooring lines were compared separately, showing that the solutions accurately reflect the mooring effect. It can be said that the solution methods applied for a mast-type floating offshore platform provide realistic and acceptable results. However, within the scope of this study, only wave-induced loads were investigated. In addition, it would be helpful to investigate the effects of wind and current-induced loads on the platform. However, considering that the significant loads for a floating structure are wave-induced, the results obtained in the study are valuable. In addition to investigating the validity of the applied solutions, it was also investigated whether there was a danger of resonance during the economic life of the platform. For this purpose, natural frequencies were determined for the structure's motions. Natural frequencies were determined using three different methods: analytical, numerical, and experimental. The values detected for all methods were compatible with each other. Based on this, it can be said that natural frequencies are reliable. Afterwards, the most extreme sea conditions that the structure may encounter during its economic life were investigated. For this purpose, an attempt has been made to predict at which frequencies the most prominent wavelengths may occur in the Turkish seas. Additionally, Pierson-Moskowitz wave spectra were created for different sea states, and the frequencies at which the peak values of the spectra occurred were determined. Finally, natural frequencies were compared with the frequency values for extreme sea conditions. It has been observed that the natural frequency values of the platform are much smaller than the frequencies expected in extreme sea conditions, showing no danger of resonance during the platform's economic life. This result is significant and optimistic regarding the applicability of a floating marine structure.
Benzer Tezler
- Model design and experimental investigation of floating wind turbine
Yüzer rüzgar türbini model tasarımı ve deneysel incelenmesi
ALİ ARIDICI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Enerjiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL
- A computational fluid dynamics investigation of motion mitigation on a floating object containing tuned liquid column damper
Yüzer bir cismin ayarlı sıvı kolon damperi ile hareket azalma performansının hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile incelenmesi
RAMAZAN KADİR ZENGİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Enerjiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÜNVER ÖZKOL
- Gemilerde yalpa sönümleme sistemlerinin incelenmesi
Investigation of ship anti-roll stabilizer systems
CAN TARHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR SARIÖZ
- Hydroelastic response behaviour of a supply vessel in waves
Bir destek gemisinin dalgalar arasındaki hidroelastik davranışları
BURAK CAN
- Magnus etkisi ile çalışan dairesel kesitli silindirik bir yalpa sönümleyici sistemin performansının tam ölçekli bir motoryat üzerinde hesaplamalı olarak incelenmesi
Investigation of the performance of a circular cross-section roll stabilizer system working with a Magnus effect on a full-scale motoryacht
DENİZ ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN AKYILDIZ