Numerical simulation of complex marine systems involving interaction between elements with large and varying stiffness properties (Numsim)

En simuleringsmodell for havmiljø med bølger og strøm er utviklet for å kunne analysere marine systemer i realistiske omgivelser. To ulike bølgeteorier er implementert i modellen. Disse er Airys bølgeteori, som er mest vanlig innen marin hydrodynamikk, og Gerstners bølgeteori som er basert på en Lagransk formulering. Gerstners bølgeteori gir spissere bølgetopp og flatere bølgebunn enn tradisjonell bølgeteori (Airys teori). Havmiljømodellen kan simulere irregulære sjøtilstander ved bruk av standardiserte bølgespektra som JONSWAP og ISSC. Det er også mulig å benytte egendefinerte bølgespektra. Kortkammet sjø kan simuleres ved bruk av en retningsspredningsfunksjon. For simulering av strøm kan man enten benytte en parametrisert strømmodell hvor retning og dybdeprofil spesifiseres, eller man kan importere datasett i netCDF-format fra beregningsprogrammer for havstrøm.

Arbeidspakke 2: Numerisk simulering av oppdrettsanlegg
For å kunne analysere hvordan fleksible havbruksanlegg oppfører seg under påvirkning fra bølger og strøm, har simuleringsmodeller for ulike komponenter av en oppdrettsmerd blitt utviklet. Dette omfatter modeller for not, flytekrage, bunnring, rammefortøyning med bøyer og koblingsplater. Det har spesielt vært lagt vekt på å utvikle gode hydrodynamiske lastmodeller for not og flytekrage, hvor utfordringer har vært knyttet til fleksibiliteten av disse konstruksjonene og deres interaksjon med omgivelsene. De ulike modellkomponentene har så blitt satt sammen for å simulere en komplett oppdrettsmerd i bølger og strøm. Det er dessuten lagt stor vekt på verifisering av simuleringsmodellene og på validering mot tilgjengelige forsøksdata. Simuleringsmodellene utviklet i denne arbeidspakken danner et viktig fundament i beregningsverktøy for analyse av oppdrettsanlegg.

Arbeidspakke 3: Numerisk simulering av oljelenser
I dette prosjektet er det utviklet en forenklet strukturmodell av en konvensjonell oljelense som kan taues av ett eller flere fartøy og som responderer på bølgekrefter. Hydrodynamikk knyttet til effektivitet og tapsmekanismer av oljelenser ble studert gjennom et post doc-stipend finansiert av prosjektet. I dette arbeidet, som ble utført i samarbeid med prof. Odd M. Faltinsen ved NTNU, ble det utviklet et beregningsprogram basert på lattice-Boltzmann-metoden for simulering av komplekse strømninger av olje og vann (to-fase).

I beregningsmodellen er det tatt hensyn til effekter som relativ tetthet, viskositet og overflatespenning mellom de to fluidene i simuleringen. Et parameterstudium med den utviklede modellen er gjennomført for å utforske hvordan disse parameterne kan påvirke stabiliteten av grenseflaten mellom olje og vann i en skjærstrøm. Dette er et relevant scenario for oljen i en oljelense som taues og har relevans til såkalt medrivningstap, hvor ustabiliteter gjør at oljedråper rives løs fra interfasen og transporteres med vannet. Oppnådde resultater er i samsvar med tilgjengelige publiserte resultater og viser at det utviklede beregningsprogrammet kan brukes som et verktøy for å studere slike fenomener.

Arbeidspakke 4: Stabilitet av fiskefartøy
Under operasjon kan stabiliteten av fiskefartøy påvirkes av effekter knyttet til redskapet, eller hydrodynamiske effekter av selve skroget. Flere modellforsøk har blitt utført ved CNR-INSEAN i Roma for å kartlegge hydrodynamiske egenskaper av et skrog typisk for kystfiskeflåten, med spesielt fokus på hydrodynamisk demping av rullebevegelse og hvordan ulike skrogdetaljer påvirker denne. Resultater fra forsøkene har så blitt brukt til valideringsformål i utviklingen av simuleringsmodeller for rulledemping. Disse er så koblet sammen med en eksisterende simulatormodell for skip, hvor også modeller for fiskeredskap kan kobles til. Prosjektet har sett spesielt på parametrisk rulling, som er karakterisert ved store rullebevegelser og kan oppstå under spesielle bølgeforhold. I praksis er det vanlig å bruke rulledempingstanker for å redusere rullebevegelser. Forsøk ble utført hvor skipsmodellen ble utstyrt med en rulledempingstank og det ble studert hvorvidt en slik innretning kan eliminere parametrisk rulling. Forsøkene viste at rulledempingstanken kunne forhindre parametrisk rulling for det aktuelle skroget.

Phd-stipendet som dette prosjektet finansierer er tilknyttet arbeidspakke 4. I phd-prosjektet har phd-studenten utviklet en beregningsprogram for analyse i frekvensplanet av parametrisk rulling av skipsskrog. Resultater fra dette arbeidet har til nå resultert i en publikasjon med fagfellevurdering. Sluttdato for phd-prosjektet er utsatt til 31.10.2015.