We investigated the Reynolds number effects on the flow over a twisted offshore structure in the range of 3×103≤ Re ≤ 1 × 104. To analyze the effect of the twisted surface treatment, a large eddy simulation (LES) with a dynamic subgrid model was employed. A simulation of the cylindrical structure was also carried out to compare the results with those of the twisted offshore structure. As Re increased, the mean drag and lift coefficient of the twisted offshore structure increased with the same tendency as those of the cylindrical structure. However, the increases in the mean drag and lift coefficient of the twisted offshore structure were much smaller than those of the cylindrical structure. Furthermore, elongated shear layer and suppressed vortex shedding from the twisted offshore structure occurred compared to those of the cylindrical cylinder, resulting in a drag reduction and suppression of the vortex-induced vibration (VIV). In particular, the twisted offshore structure achieved a significant reduction of over 96% in VIV compared with that of the cylindrical structure, regardless of increasing Re. As a result, we concluded that the twisted offshore structure effectively controlled the flow structures with reductions in the drag and VIV compared with the cylindrical structure, irrespective of increasing Re.
Kim, Hyun-Sung;Won, Younguk;Oh, Young Jae;Lee, Kangsu;Kim, Byoung Wan
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.35
no.3
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pp.191-202
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2021
Studies on very large offshore structures are increasing owing to the development of deep sea, large-scale energy generation using ocean resources, and so on. The enlargement of offshore structures makes the hydroelastic effect and low natural frequency related responses important. Numerical analyses and model tests for hydroelastic and higher-order springing responses of fixed cylindrical structures are conducted in this study. The panel methods with and without the hydroelastic effect with shell elements, and the Morison analysis method with beam elements are applied. To observe the hydroelastic effect for structural strength, two structures are considered: bottom-fixed cylindrical structures with high and low bending stiffnesses, respectively. The surge motions at the top of the structure and bending stresses on the structure are observed under regular and irregular wave conditions. The regular wave conditions are generated considering the ratios of the cylindrical outer diameter to the wave lengths, and keeping the wave steepness constant. The model tests are performed in the three-dimensional ocean engineering basin in the KRISO (Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering). From the numerical and experimental results, in which the hydroelastic responses are only observed in the case of the structure with a low bending stiffness, it is confirmed that the hydroelastic responses are highly dependent on the structural stiffness. Additionally, the higher-order phenomenon on the specified wave condition is analyzed by observing the higher-order springing responses when the incident wave frequency or its multiples with the high wave height coincides with the natural frequency of the structure.
Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.39
no.4
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pp.489-494
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2015
This research focused on minimizing the response of fixed cylindrical offshore structures to a ship impact considering the seawater fluid part. A collision between a ship and offshore structure is generally a complex problem and it is often impractical to perform rigorous finite element analyses to include all the effects and sequences during the collision. The structural behavior of a fixed cylindrical type offshore substructure with a seawater fluid part has a simpler response and small deformation due to the dissipation of impact energy. Upon applying the impact force of a ship to the cylindrical structure, the maximum acceleration, internal energy, and plastic strain are calculated for each load cases using Ls-dyna finite element software. In the maximum cases 2.0 m/s velocity, the response result for the structure was carried out to compare between having a fluid region and no fluid region. Fluid-structure interaction analysis was performed using the ALE method, which make it possible to apply a fluid region on the impact problem. The case of a fixed cylindrical type offshore structure without a seawater fluid part can be a more conservative design.
This study presents the wave run-up height and depression depth around offshore cylindrical structures according to the wave period. The present study employs the volume of fluid method with the realizable turbulence model based on a commercial computational fluid dynamics software called the "STAR-CCM+" to simulate a 3D incompressible viscous two-phase turbulent flow. The present results for the wave run-up height and depression depth with regard to the wave period are compared with those of the relevant previous experimental and numerical studies.
In the present study, an offshore platform having large partial porous cylindrical members, which are composed of permeable and impermeable cylinders, is suggested. In order to calculate the wave force on large partial porous cylindrical members, the fluid domain is divided into three regions: a single exterior region, N inner regions and N beneath regions, and the scattering wave in each fluid region is expressed by an Eigen-function expansion method. Applying Darcy's law to the porous boundary condition, the effect of porosity is simplified. Wave excitation forces and wave run up on the structures are presented for various wave conditions. For the idealized three-dimensional platform having large partial porous cylindrical members, the dynamic response evaluations of the platform due to wave forces are carried out through the modal analysis. In order to examine the effects of soil-structure interaction, the substructure method is also applied. The displacement and bending stress at the selective nodal points of the structure are computed using various input parameters, such as the shear-wave velocity of soil, the wave height and the wave period. Applying the Monte Carlo Simulation (MCS) method, the reliability evaluations at critical structure members, which contained uncertainties caused by dynamic forces and structural properties, are examined by the reliability index with the results obtained from MCS.
Unlike structures in the air, the vibration analysis of a submerged or floating structure such as offshore structures is possibly only when the fluid-structures is understood, as the whole or part of the structure is in contact with water. Through the comparision between the experimental result and the finite element analysis result for a simple cylindrical model, it was verified that an added mass effects on the cylindrical structure. Using the commercial FEA program ANSYS(v.11.0), underwater added mass was superposed on the mass matrix of the structure. A frequency response analysis of forced vibration in the frequency considered the dynamic load was also performed. It was proposed to find the several important modes of resonance peak for these fixed cylindrical type structures. Furthermore, it is expected that the analysis method and the data in this study can be applied to a dynamic structural design and dynamic performance evaluation for the ground and marine purpose of power generator by wind.
In this study, a 3D numerical model was used to predict nonlinear wave forces on a cylindrical pile installed in a shallow water region. The model was based on solving the viscous and incompressible Navier-Stokes equations for a two-phase flow (water and air) model and the volume of fluid method for treating the free surface of water. A new application was developed based on the cut-cell method to allow easy installation of complicated obstacles (e.g., bottom geometry and cylindrical pile) in a computational domain. Free-surface elevation, water particle velocities, and inline wave forces were calculated, and the results show good agreement with experimental data obtained by the Danish Hydraulic Institute. The simulation results revealed that the proposed model can, without the use of empirical formulas (i.e., Morison equation) and additional wave analysis models, reliably predict non-linear wave forces on an offshore wind turbine foundation installed in a shallow water region.
Triceratops is one of the new generations of offshore compliant platforms suitable for ultra-deepwater applications. Apart from environmental loads, the offshore structures are also susceptible to accidental loads. Due to the increase in the risk of collision between ships and offshore platforms, the accurate prediction of structural response under impact loads becomes necessary. This paper presents the numerical investigations of the impact response of the buoyant leg of triceratops usually designed as an orthogonally stiffened cylindrical shell with stringers and ring frames. The impact analysis of buoyant leg with a rectangularly shaped indenter is carried out using ANSYS explicit analysis solver under different impact load cases. The results show that the shell deformation increases with the increase in impact load, and the ring stiffeners hinder the shell damage from spreading in the longitudinal direction. The response of triceratops is then obtained through hydrodynamic response analysis carried out using ANSYS AQWA. From the results, it is observed that the impact load on single buoyant leg causes periodic vibration in the deck in the surge and pitch degrees of freedom. Since the impact response of the structure is highly affected by the geometric and material properties, numerical studies are also carried out by varying the strain rate, and the location of the indenter and the results are discussed.
Ocean structures and vehicles are exposed to severe ocean environment conditions such as waves, winds and currents. When such ocean structures and vehicles are designed, an accurate structure analysis is required to keep the system safely. Hydro-elastic analysis is one of key issues to design such structures and vehicles. In many previous investigations, numerical analyses for hydro-elastic problem have been used. In this study, an experimental analysis is carried out and the circular cylindrical shell is considered. Dynamical characteristics for a circular cylindrical shell are identified by experimental vibration analysis in air and water. The natural frequencies and mode shapes are compared in air and water to obtain hydro-elastic effects. Some interesting results are found in the variation of natural frequencies and damping ratios of the circular cylindrical shell for different water contact depths.
A meteorological(met) tower is the first structure installed during the planning stages of offshore wind farm. The purpose of this paper is to design the met tower with tripod bucket type support structure and to install the sensors. The support structure consist of a central steel shaft connected to three cylindrical steel suction buckets which is more cheaper than monopile or jacket type. And the remote wind condition sensors and marine monitoring equipment, including adcp, pressure type tide gauge, wave height sensors, and scour sensors, remote power supply are installed. The manufactured met tower constructed on sea area which is in front of Gasa island. All of functions of met tower showed normal operation conditions and the wind data got by remote data collection system successfully.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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