Auskolkungsvorgänge

Simulation von Auskolkungsvorgängen an den Gründungsstrukturen von FINO3 und FINO1

Fachhochschule Kiel - Fachbereich für Maschinenwesen - Institut für Schiffbau und Maritime Technik

Das Vorhaben befasst sich mit der Gründung von Offshore-Windenergieanlagen und dem in diesem Zusammenhang wichtigen Phänomen der Auskolkung. Grundlage eines sicheren aber auch wirtschaftlichen Designs jeder Offshore-Windenergieanlage ist die richtige Dimensionierung der Gründung und der Unterstruktur. Dabei ist ein wesentlicher Faktor der zu berücksichtigende Kolk. Darunter versteht man die Auswaschung von Sediment am Gewässerboden durch Strömung um das Bauwerk. Kolk schwächt die Gründung eines Offshore-Bauwerkes erheblich.

Ziel des Vorhabens ist es, Prognosemethoden aus jüngsten Forschungsarbeiten von auf dem Gebiet international führenden Instituten zu implementieren und damit den Auskolkungsvorgang an den Forschungsplattformen FINO1 und FINO3 zu modellieren und zu simulieren. Hierzu gehört ebenfalls, die komplexen Strömungsvorgänge um Offshore-Strukturen unter Berücksichtigung von freier Wasseroberfläche und Seegang zu untersuchen. Für diese Forschungsplattformen sind bereits umfangreiche Messungen des Auskolkungsvorganges vorhanden, die im Rahmen der Studie zur Validierung genutzt werden.

Das Ministerium für Energiewende, Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume des Landes Schleswig-Holstein fördert das Projekt mit Landesmitteln nach Maßgabe der Richtlinie für die Gewährung von Zuwendungen zur Förderung von Forschung, Entwicklung und Technologietransfer (FIT-Richtlinie) bis Ende Juli 2017.

Vorgehen und Ziele

Die zu erwartende Auskolkung kann bislang kaum realitätsnah prognostiziert werden. Daher ist Kolk aufgrund der Relevanz in den letzten Jahren bereits Gegenstand zahlreicher Untersuchungen gewesen. Dies hat jedoch bislang nicht zu allgemein anerkannten Formeln oder Berechnungsverfahren geführt. Selbst aufwendigere Prognose-Methoden liegen teilweise um nicht unerhebliche Größenordnungen neben der in Messungen ermittelten Auskolkung.

Das zu implementierende Verfahren benötigt als Eingangsgrößen quantitative Angaben zu den Seegangsverhältnissen, in der Regel beschrieben durch das Seegangsenergiespektrum. Ein Vergleich von Seegangs- und Auskolkungs-Messung einerseits und Simulationsergebnissen andererseits gestattet es somit, die Modellierung des Vorganges zu prüfen und gegebenenfalls zu verbessern und so zu einer genauen Prognosemethode zu kommen. Ansätze für eine Verbesserung der Auskolkungs-Modelle sind verbesserte Strömungsmodellierung sowie verbesserte Sedimentkonvektion. Ein wichtiger Ansatz ist hier die Verbesserung der rechnerischen Effizienz der Simulationsverfahren, da die Simulationsrechnungen für Strömungen mit freien Oberflächen sehr rechenzeitintensiv sind. Dies wird erreicht durch die Implementierung von Zeitschritt-Lösungsverfahren, die größere Zeitschrittweiten zulassen als die bislang eingesetzten Simulationsverfahren. Durch eine Generalisierung der Methode kann diese dann auch für neu zu projektierende Offshore-Bauwerke und generalisierte Seegangsspektren verwendet werden, was zu einer deutlich verbesserten Prognose des Auskolkungs-Prozesses und somit einer wirtschaftlicheren Gründungsauslegung führen wird.

Im Rahmen des Projektes wird ein Simulationsverfahren basierend auf der rechnerischen Simulation reibungsbehafteter Strömungen entwickelt, das sowohl die freie Wasseroberfläche als auch die Sedimentbewegung berücksichtigt. Das Simulationsverfahren arbeitet mit drei Strömungsphasen/-medien. Wasser, Luft und Sediment. Für die Sedimentphase wird ein spezieller Ansatz implementiert, der ihre besonderen Eigenschaften berücksichtigt. Die Effizienz des numerischen Lösungsansatzes wird durch sogenannte High-Resolution-Differencing-Schemes verbessert, die größere Zeitschrittweiten in dem instationären Zeitschrittverfahren zulassen als bislang üblich.

Ergebnisse

Simulation einer 6 Meter hohen Welle an der FINO1-Gründungsstruktur mit ebenem Meeresgrund überlagert mit 0.5m/s Tidenströmung (Flut)
Simulation einer 6 Meter hohen Welle an der FINO1-Gründungsstruktur mit ebenem Meeresgrund überlagert mit 0.5m/s Tidenströmung (Flut)

Auswertungen der Messdaten der FINO1 Plattform zeigen, dass bei einer Wellenhöhe von 6 Metern messbare Veränderungen der Auskolkung auftreten können. Auskolkung hängt unter anderem stark von den auf dem Meeresboden auftretenden Schubspannungen durch Seegang und Strom ab. So findet der Sedimenttransport erst dann statt, wenn eine materialabhängige, kritische Schubspannung überschritten wird. Zudem lässt sich beobachten, dass die Tidenströmung einen entscheidenden Einfluss hat.

Erste Simulationen wurden zur Untersuchung der strömungsinduzierten Schubspannung am Gewässerboden in Abhängigkeit von Tidenstrom und Seegangsverhältnissen durchgeführt, so dass die vorliegenden Messdaten auch bewertet werden können. Die Abbildung zeigt die Simulation einer 6 Meter hohen Welle an der FINO1-Gründungsstruktur mit ebenem Meeresgrund überlagert mit 0.5m/s Tidenströmung (Flut). Die Wellenlänge beträgt ca. 135 Meter. Auf dem Grund wird die Schubspannung farblich dargestellt. Es ist ein signifikanter Einfluss der Gründungsstruktur auf diese Schubspannung zu erkennen.