Digitale golfbreker helpt offshore-industrie

dr.ir. Rik Wemmenhove

technologiestichting STW

Na zijn studie werktuigbouw en civiele techniek besloot Rik Wemmenhove (1982), dat hij de uitdaging wel wilde aangaan om goede simulatiemodellen voor golfbewegingen op te stellen.

Het project was vanaf het eerste begin een uitdaging. Ondergebracht aan de Rijksuniversiteit Groningen, was het onderzoek van Wemmenhove een onderdeel van een groot internationaal joint-industry project. Wemmenhove: “Ik had een vliegende start. In de eerste week kon ik meteen naar Singapore afreizen; daar hielden de bedrijven die wereldwijd bij dit project betrokken zijn hun halfjaarlijkse vergadering. Zo’n direct contact met de gebruikers van wat je moet gaan maken, is zeer motiverend. Je hoort gelijk waar het over gaat. Vanaf dit moment was mijn onderzoek niet meer alleen papierwerk: experts uit de praktijk zaten echt te springen om betere simulatie-software voor golfslag.”

Schuim en lucht

Het begon allemaal met een literatuuronderzoek, waar Wemmenhove een half jaar voor uittrok. Bij de bestaande simulatie van golfslag beperkte men zich veelal tot het modelleren van stromingen in water. Maar vooral bij overslaande golven mengt water zich met schuim en lucht aan het vrije oppervlak. Golven kunnen soms grote luchtbellen insluiten. Deze ingesloten luchtbellen worden samengedrukt door het omringende water, waarna ze uiteen vallen in het omringende water, en dat zorgt ervoor dat golven een andere uitwerking hebben dan op basis van de modellen van alleen waterstromingen te berekenen zou zijn.

Wemmenhove: “Hoewel er op het eerste gezicht veel twee-fasemodellen voor vloeistofsimulatie lijken te bestaan, bleek dat maar een klein deel van deze modellen gericht was op technische offshoretoepassingen. In de literatuur waren vooral de kleine zinnetjes belangrijk – welke methode wel of niet goed werkt, welke formule zich in de praktijk bewezen heeft, en dat soort dingen.”

Na de literatuurstudie stond Wemmenhove voor een aantal belangrijke inhoudelijke keuzes.

• Keuze 1: welke simulatiemethode gebruik je? In de bestaande software werd gebruikgemaakt van een rooster waarbij de afstand tussen twee coördinaatlijnen constant is. Voor elke dimensie is er een as en de assen staan onderling loodrecht op elkaar. Wemmenhove: “Dit zogeheten Cartesiaans raster werkte goed in de praktijk, dus daar ben ik bij gebleven.”

• Keuze 2: hoe modelleer je de overgang tussen water en lucht? Wemmenhove: “Het probleem daarbij is, dat je te maken krijgt met enorme verschillen in dichtheid. Het verschil tussen water en lucht is een factor duizend. Als je die overgang verkeerd in je vergelijkingen invoert, gaat alles mis.” De oplossing bleek, om zogenaamde termen voor de compressie toe te voegen aan de drukvergelijking om het effect van samendrukbare lucht te discretiseren.

• Keuze 3: moet je in de vergelijkingen aannemen dat lucht zich laat samendrukken, of moet je ervan uitgaan dat lucht niet samendrukbaar is? Wemmenhove: “De eerste stap was, om aan te nemen dat lucht niet samendrukbaar is. Maar stel dat er een grote golf aankomt en een luchtbel insluit. In dat geval wordt de druk in een luchtbel én in het omringende water onnatuurlijk hoog wanneer je de lucht als incompressibel beschouwt. Dus na een tijdje heb ik deze compressie van de lucht in mijn vergelijkingen ingevoerd. Ik heb ervoor gekozen om dat proces te modelleren door ervan uit te gaan dat er geen warmte-uitwisseling tussen lucht en water plaatsvindt, en de daarbij zogenaamde ‘adiabatische toestandsvergelijking’ te gebruiken.” De adiabatische vergelijkingen bleken inderdaad in staat om de compressibiliteit van lucht te modelleren, waardoor de software veel beter de drukverdeling in een golfslag kon weergeven.

• Keuze 4: hoe modelleer je de dichtheid? Wemmenhove: “Normaal definieer je de gesimuleerde dichtheid van een stukje water-lucht in het midden van de cel in je Cartesiaans raster. Maar ik had ook de dichtheid aan de rand van de cel nodig om waarheidsgetrouwe resultaten te krijgen.” Het bleek dat het middelen van de dichtheid van twee aangrenzende cellen geen realistisch plaatje opleverde. “Ik kreeg te maken met onnatuurlijk hoge snelheden nabij het vrije oppervlak van de cellen. Het heeft me echt veel tijd gekost om deze middeling als de oorzaak voor onnatuurlijke snelheidsvelden te identificeren en daar een alternatief voor te vinden. Het was een kwestie van lang turen op de coëfficiënten en kijken waar het misgaat”. Uiteindelijk bleek dat de zwaartekracht in de vergelijkingen correct meegenomen moest worden, om een realistische waarde voor de dichtheid te krijgen.

Klotsproeven

Opnamen van een experiment in een klotstank.

technologiestichting STW

Na het vinden van de juiste formules en het omzetten daarvan in de programmeertaal Fortran, was de modelvalidatie belangrijk. Die werd uitgevoerd met een aantal experimentele opstellingen op schaal, waarbij water in een ‘klotstank’ heen en weer wordt bewogen; de meetwaarden en video-opnames van die proeven kon Wemmenhove gebruiken om zijn model te ijken aan de realiteit. Wemmenhove: “Het bijzondere van deze klotsproeven is dat ze schaal 1:10 zijn. Normaal gesproken zijn die 1:20 of 1:50. Door die grote schaal wordt de waterbeweging compleet anders want er ontstaat veelvuldig insluiting van luchtbellen. De hele stroming verandert.”

Direct na zijn promotie heeft Wemmenhove een baan aangenomen bij een Noors ingenieursbureau dat is gespecialiseerd in offshoreprojecten. Wemmenhove: “Hier kan ik al mijn kennis in de praktijk toepassen: hydrodynamica, vloeistofsimulatie, stabiliteitsberekeningen aan platformen. Het sluit naadloos aan bij mijn onderzoek.”

Het promotieonderzoek van Rik Wemmenhove is gefinancierd binnen het Open Technologieprogramma van STW.