Effects of an array of widely separated vertical cylinders on time-averaged properties of progressive monochromatic waves

• Published in: Revista brasileira de recursos hídricos Vol. 25
• Main Authors: Aguilera, Laura, Rosman, Paulo Cesar Colonna, Neves, Claudio Freitas
• Format: Journal Article
• Language: English; Portuguese
• Published: Associação Brasileira de Recursos Hídricos 01.01.2020
• Subjects: ENGINEERING, ENVIRONMENTAL; ENGINEERING, GEOLOGICAL; ENGINEERING, MARINE; ENGINEERING, OCEAN; Monopile array; Offshore wind farms; Radiation stress; Second-order effects; Wave-cylinder interaction; Interação onda-cilindro; Arranjo monopilar; Radiation stress; Parques eólicos offshore; Wave-cylinder interaction; Tensor de radiação; Second-order effects; Monopile array; Efeitos de segunda-ordem; Offshore wind farms
• ISSN: 1414-381X; 2318-0331; 2318-0331
• DOI: 10.1590/2318-0331.252020190140

ABSTRACT The design of monopile foundations for offshore wind farms, the estimate of wave loads, and the effect of the structures on the environment usually consider one single vertical cylinder. This choice is based on the size of the ratio cylinder diameter to wavelength, and on the large distances between turbines. However, for large arrays of monopiles, the ensemble effect must be investigated. This study addresses monochromatic wave propagation through a rectangular array of four cylinders 800 m and 300 m apart, considered here as the fundamental geometry for an arbitrary array of monopiles turbines. Results for bottom velocities, mean water level, mass transport, and radiation stress tensor in the presence of the array are compared with those for a single cylinder. The numerical model WAMIT® is used to compute the potential velocity solution. Relevant spatial variations were found, especially for radiation stresses, for different periods and directions of propagation. Diffraction effects on the wave field by the array are significantly stronger than the superposition of individual effects of isolated cylinders under the same conditions. Impacts of the entire wind farm on bottom morphodynamics near the foundations, on the design loads, and on the wave climate past the wind farm are discussed. RESUMO O cálculo das fundações das estruturas de suporte de turbinas (monopilares) de parques eólicos offshore, a estimativa dos esforços causados pelas ondas, e o efeito das estruturas no meio ambiente, costumam considerar estas estruturas como cilindros verticais isolados. Justifica-se esta escolha pelo pequeno valor da razão entre o diâmetro dos monopilares e o comprimento da onda, e pelas longas distâncias entre as turbinas. Contudo, no caso de um grande arranjo de monopilares, o efeito do conjunto deve ser investigado. Este trabalho aborda a propagação de ondas através de um arranjo retangular de quatro cilindros separados 800 m e 300 m, aqui considerada como a geometria básica para um parque offshore de turbinas monopilares de arranjo geométrico qualquer. Resultados para velocidades no fundo, nível médio da água, transporte de massa e tensor de radiação na presença do arranjo são comparados àqueles obtidos com um único cilindro. O modelo numérico WAMIT® é usado para calcular a solução do potencial de velocidades. Os resultados mostram variações espaciais relevantes, especialmente para as tensões de radiação, para diferentes períodos de ondas incidentes e ângulos de propagação. Os efeitos de difração no campo de ondas pelo arranjo de cilindros foi significativamente maior que a superposição dos efeitos de difração de cilindros isolados nas mesmas condições de ondas. Os impactos da difração produzidos pelo conjunto do parque eólico sobre os processos morfodinâmicos no entorno das fundações, sobre as cargas atuantes nas estruturas, e sobre o clima das ondas após a passagem pelo parque são discutidos.