Numerical Simulations of Platforms and Mooring Components for Offshore Energy Generation Systems

Abstract

[Abstract] Floating platforms for renewable energy generation are among the most promising pathways to unlock wind, wave, and hybrid resources in deep water, where metocean resources are greater and more consistent. This promise of abundant energy, however, comes with engineering challenges driven by severe metocean conditions and stringent survivability requirements, in which the station-keeping systems of moored floating foundations play a critical role. Conventional modeling and analysis approaches in the sector employ linear wave theory, Morison-type drag and inertia formulations, and second-order models via quadratic transfer functions. These methods are efficient and robust for operational sea states in which wave amplitudes and platform motions remain moderate and the weakly nonlinear assumptions embedded in potential-flow frameworks are therefore reasonable. Nevertheless, the industry’s need to quantify extreme conditions, assess survivability, and design risk-mitigation strategies has exposed the limitations of linearized approaches. Nonlinear phenomena such as wave run-up, impulsive slamming on deck and side structures, and wave breaking near the free surface introduce strong nonlinearities that shape both local loads and global responses. In these contexts, high-fidelity Computational Fluid Dynamics (CFD) becomes a decisive tool, as it can explicitly resolve the multi-scale, multi-phase physics underlying the interaction of waves with complex geometries and dynamically evolving free-surface interfaces. This thesis builds an integrated, open-source, high-fidelity modeling framework to simulate coupled wave, structure, mooring dynamics for both single and multiple floating bodies. It integrates OpenFOAM®, a mature open-source CFD platform for incompressible multiphase flow and rigid-body dynamics, with MoorDyn-v2, a dynamic mooring solver based on a lumped-mass representation of mooring lines and auxiliary components. A central ingredient of the work is the use and assessment of the foamMooring interface to exchange kinematics and forces between the fluid solver and the mooring model efficiently and robustly. The framework is designed to accommodate large rigid-body motions via advanced mesh-motion strategies, specifically morphing and overset grids, while maintaining sharp free-surface resolution through Volume-of-Fluid (VoF) techniques. To address the well-known added-mass instabilities that can affect partitioned fluid, structure interaction schemes, the thesis evaluates and employs FloatStepper, a non-iterative six-degree-of-freedom (6-DoF) algorithm that stabilizes the time advancement of lightweight floating bodies coupled to surrounding fluid masses. The resulting methodology is used to study single-body platforms in waves, is extended to closely interacting multibody systems with shared or independent moorings, and is complemented by standalone MoorDyn studies that explore the dynamic behavior of catenary lines with auxiliary elements (e.g., clump weights) under prescribed excitation and representative environmental conditions. The motivation for an open, fully coupled framework is tightly linked to the evolving design space of marine renewables. As concepts mature from single demonstrators to large arrays, system-level costs and complexity expand in tandem. Shared-mooring strategies, mechanical interconnections, and compact layouts aimed at reducing levelized cost of energy intensify hydrodynamic interactions and introduce new constraints driven by coupled dynamics. The literature shows how linear potential-flow solvers, frequency-domain analyses, and time-domain radiation, diffraction tools provide excellent first-order insights for configuration screening and control design, but also how they must be complemented by higher-fidelity tools in the presence of strong viscous effects, breaking waves, and contact dynamics. The approach advanced in this thesis recognizes this complementarity, it seeks to deliver a CFDcentered, mooring-aware capability that can be used either as a primary design instrument for nonlinear regimes or as a rigorous benchmark to validate and calibrate reduced-order or hybrid models. By basing all developments on open-source software, the work also addresses the pressing need for transparent, reproducible research that the community can adapt and extend. The thesis has three objectives. First, to assemble, document, and validate a robust CFD, mooring coupling based on OpenFOAM® and MoorDyn v2 that can handle large-amplitude motions, realistic line dynamics, and multiphase free-surface flows with high numerical fidelity. Second, to extend this capability from single platforms to multibody systems, including configurations in close proximity and those featuring shared mooring lines or towing arrangements, in order to understand how hydrodynamic interference, gap resonance, and mooring topology alter global responses and line tensions. Third, to undertake a dedicated, standalone study of MoorDyn’s predictive capacity and numerical properties for catenary systems that include elements such as point weights (clump-weights) or buoyancy modules, using convergence analyses and integration-scheme comparisons to establish accuracy, stability, and computational efficiency independently of the CFD coupling. Together, these objectives aim to de-risk the adoption of high-fidelity simulation in offshore design across a range of representative problems. The methodological foundation is presented in detail in Chapter 2. The governing equations for incompressible two-phase flow are written in conservative form with a VoF method to represent the free-surface interface. Emphasis is placed on reconciling interface-capturing accuracy with the stringent stability and conservation demands of long, time-resolved simulations. The six-degree-of-freedom rigid-body motion of floating structures is modeled using OpenFOAM’s dynamics libraries, with careful treatment of the added-mass effect via an explicit formulation that, without mitigation, would trigger numerical instabilities, as shown throughout the chapter. The FloatStepper algorithm is therefore introduced as a stabilizing device that modifies rigid-body advancement to account for fluid, structure coupling without resorting to costly sub-iterations. On the mooring side, MoorDyn v2 is described through its lumped-mass discretization of lines into segments and nodes with geometric nonlinear kinematics, line axial stiffness, added mass, and hydrodynamic drag. Seabed contact, auxiliary elements (buoys or clump-weights), and connections at fairleads and anchors (or monopile attachments) are included, enabling realistic station-keeping representations. The chapter also details mesh-motion strategies suited to large-amplitude motions, mesh morphing where deformations remain moderate, and overset (chimera) methods when relative displacements become too large to maintain mesh-quality metrics. These components are assembled into a time-advanced procedure that exchanges fairlead position and velocity from the rigid-body solver to MoorDyn and returns line tensions to the CFD solver as external forces on the platform. Chapter 3 provides the first application, a fully coupled OpenFOAM, MoorDyn v2 simulation of a single floating platform subjected to regular waves. The selected case admits direct comparison with experimental results and with prior numerical analyses by other au13 thors. The focus is on establishing an end-to-end workflow, from mesh generation and boundary conditions to time-step selection, interface-capturing parameters, and the calibration of FloatStepper within the partitioned coupling. The results show the framework’s ability to reproduce regular waves, mooring-line behavior, and platform response, including heave, surge, and pitch, as well as the relation between line tension and platform kinematics. Crucially, the study demonstrates that overset meshes can track large excursions without loss of mesh quality while preserving free-surface fidelity, and that the coupling remains numerically stable in the presence of significant added mass through the use of FloatStepper. The analysis compares alternative interface-capturing treatments and quantifies their impact on short-wave features and different wave periods...[Resúmen] Las plataformas flotantes para generación de energía renovable representan una de las vías más prometedoras para desbloquear recursos eólicos, de oleaje y sistemas híbridos en aguas profundas, donde los recursos meteoceánicos son mayores y también constantes. Esta promesa de una energía abundante, sin embargo, viene acompañada de retos impulsados por condiciones meteoceánicas severas, así como por exigentes condiciones de supervivencia, en las que los sistemas de fondeo de las cimentaciones flotantes desempeñan un papel relevante. Los enfoques de modelado y análisis convencionales en el sector emplean la teoría lineal de olas, formulaciones tipo Morison para arrastre e inercia, y modelos de segundo orden mediante funciones de transferencia cuadráticas. Estos métodos son eficientes y robustos para estados de mar operativos en los que las amplitudes de ola y los movimientos de la plataforma se mantienen moderados, y las hipótesis débilmente no lineales embebidas en marcos de flujo potencial resultan razonables. No obstante, la necesidad de la industria de cuantificar condiciones extremas, evaluar la supervivencia y diseñar estrategias de mitigación del riesgo ha evidenciado las limitaciones de los enfoques linealizados. Fenómenos no lineales como el run-up, los impactos impulsivos (slamming) en cubierta y costados, y la rotura de ola cerca de la superficie libre introducen fuertes no linealidades que condicionan tanto las cargas locales como las respuestas globales. En estos contextos, la Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) se vuelve una herramienta decisiva, pues puede resolver explícitamente la física multiescala y multifase que subyace a la interacción de las olas con geometrías complejas y superficies libres en evolución. Esta tesis construye un marco de modelado integral, de código abierto y alta fidelidad, para simular la dinámica acoplada ola, estructura, fondeo tanto para cuerpos flotantes individuales como múltiples. Integra OpenFOAM®, una plataforma de CFD consolidada y de código abierto para flujo incompresible multifase y dinámica de cuerpos rígidos, con Moor- Dyn, v2, un solver dinámico de sistemas de fondeo basado en una representación de masas concentradas (lumped, mass) para líneas de fondeo y componentes auxiliares. Un ingrediente central del trabajo es el uso y la evaluación de la interfaz foamMooring, para intercambiar cinemática y fuerzas entre el solver de fluidos y el modelo de fondeo de forma eficiente y robusta. El marco está diseñado para admitir grandes movimientos de cuerpo rígido mediante estrategias avanzadas de movimiento de malla, en concreto morphing y overset, a la vez que mantiene una definición nítida de la superficie libre mediante técnicas de Volumen de Fluido (VoF). Para abordar las conocidas inestabilidades de masa añadida que pueden afectar a esquemas de interacción fluido, estructura, la tesis evalúa y emplea FloatStepper, un algoritmo no iterativo de seis grados de libertad (6, DoF) que estabiliza el avance temporal de cuerpos flotantes ligeros acoplados en el seno de masas fluidas. La metodología resultante se utiliza para estudiar plataformas de un solo cuerpo en oleaje, se extiende a sistemas multibody en interacción estrecha con fondeos compartidos o independientes, y se complementa con estudios independientes en MoorDyn que exploran el comportamiento dinámico de líneas catenarias con elementos auxiliares, por ejemplo clump weights, bajo excitación prescrita y condiciones ambientales representativas. La motivación para un marco abierto y completamente acoplado está estrechamente vinculada al espacio de diseño en evolución de las energías renovables marinas. A medida que 18 los conceptos maduran desde demostradores individuales hacia grandes conjuntos (arrays), los costes y la complejidad a nivel de sistema se expanden en tándem. Estrategias de fondeo compartido, interconexiones mecánicas y diseños compactos orientados a reducir el coste nivelado de la energía intensifican las interacciones hidrodinámicas e introducen nuevas restricciones impulsadas por la dinámica acoplada. La literatura muestra cómo los solvers de flujo potencial lineal, los análisis en el dominio de la frecuencia y las herramientas de difracción, radiación en el dominio del tiempo proporcionan perspectivas de primer orden excelentes para el cribado de configuraciones y el diseño de control, pero también cómo deben ser complementados por herramientas de mayor fidelidad en presencia de efectos viscosos fuertes, olas rompiendo y dinámicas de contacto. El enfoque propuesto en esta tesis reconoce esta complementariedad, busca ofrecer una capacidad centrada en CFD y sensible al fondeo, que pueda utilizarse como instrumento principal de diseño para regímenes no lineales, o como referencia rigurosa para validar y calibrar modelos reducidos o híbridos. Al basar todos los desarrollos en software de código abierto, el trabajo responde a la necesidad apremiante de una investigación transparente y reproducible que la comunidad pueda adaptar y extender. Los objetivos de la tesis son tres. Primero, ensamblar, documentar y validar un acoplamiento CFD, fondeo robusto basado en OpenFOAM® y MoorDyn v2 que pueda manejar movimientos de gran amplitud, dinámica realista de líneas y flujos con superficie libre multifase con alta fidelidad numérica. Segundo, extender esta capacidad de plataformas individuales a sistemas multibody, incluyendo configuraciones en proximidad y aquellas con líneas de fondeo compartidas o sistemas de remolque, con el fin de comprender cómo la interferencia hidrodinámica, la resonancia de oquedad (gap resonance) y la topología de fondeo alteran las respuestas globales y las tensiones en las líneas. Tercero, emprender un estudio dedicado e independiente de la capacidad predictiva y de las propiedades numéricas de MoorDyn para sistemas de líneas de tipo catenaria que incluyen elementos como pesos puntuales (clump, weights) o módulos de flotabilidad, mediante análisis de convergencia y comparaciones de esquemas de integración, para establecer exactitud, estabilidad y eficiencia computacional de forma independiente del acoplamiento con CFD. En conjunto, estos objetivos buscan reducir el riesgo asociado a la adopción de simulación de alta fidelidad en el diseño offshore, a lo largo de una gama representativa de problemas. La base metodológica se presenta en detalle en el Capítulo 2. Las ecuaciones de gobierno para flujo bifásico incompresible se formulan en forma conservativa con un método VoF para la representación de la interfaz de la superficie libre. Se hace hincapié en conciliar la precisión de captura de la interfaz con las estrictas demandas de estabilidad y conservación de simulaciones largas y resueltas en el tiempo. El movimiento de cuerpo rígido de las estructuras flotantes en seis grados de libertad se modela usando las librerías de dinámica de OpenFOAM, considerando el efecto de masa añadida mediante un tratamiento explícito que, sin mitigación, podría causar inestabilidades numéricas, tal como se muestra a lo largo del capítulo. Por ello se introduce el algoritmo FloatStepper, como estabilizador, que modifica el avance del cuerpo rígido para tener en cuenta el acoplamiento fluido, estructura sin recurrir a costosas subiteraciones. Respecto al fondeo, MoorDyn v2 se describe mediante su discretización en masas concentradas de líneas en segmentos y nodos con cinemática geométrica no lineal, rigidez axial de la línea, masa añadida y arrastre hidrodinámico...[Resumo] As plataformas flotantes para a xeración de enerxía renovábel son unha das vías máis prometedoras para desbloquear recursos eólicos, de onda e solucións híbridas en augas profundas, onde os recursos meteo-oceánicos son maiores e tamén máis constantes. Esta promesa dunha enerxía abondosa, porén, vén acompañada de retos de enxeñaría motivados por condicións meteo-oceánicas severas e por esixentes condicións de supervivencia, nas que os sistemas de fondeo das cimentacións flotantes fondeadas teñen un papel relevante. As abordaxes de modelado e análise convencionais no sector empregan a teoría lineal de ondas, formulacións tipo Morison para arrastre e inercia, e modelos de segunda orde mediante funcións de transferencia cuadráticas. Estes métodos son eficientes e robustos para estados de mar operativos nos que as amplitudes de onda e os movementos da plataforma se manteñen moderados e as hipóteses feblemente non lineais, embebidas en marcos de fluxo potencial, resultan razoábeis. Con todo, a necesidade da industria de cuantificar condicións extremas, avaliar a supervivencia e deseñar estratexias de mitigación do risco puxo de manifesto as limitacións dos enfoques linearizados. Fenómenos non lineais como o run-up da onda, os impactos impulsivos (slamming) en cuberta e nos costados da estrutura, e a rotura de onda preto da superficie libre introducen non linealidades fortes que condicionan tanto as cargas locais como as respostas globais. Nestes contextos, a Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) convértese nunha ferramenta decisiva, pois pode resolver explicitamente a física multiescala e multifase que subxace na interacción das ondas con xeometrías complexas e superficies libres en evolución. Esta tese constrúe un marco de modelado integral, de código aberto e alta fidelidade para simular a dinámica acoplada onda, estrutura, fondeo tanto para corpos flotantes individuais como múltiples. Integra OpenFOAM®, unha plataforma consolidada e de código aberto de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para fluxo incompresíbel multifase e dinámica de corpos ríxidos, con MoorDyn-v2, un resolvedor dinámico de sistemas de fondeo baseado nunha representación de masas concentradas (lumped-mass) para liñas de fondeo e compoñentes auxiliares. Un ingrediente central do traballo é o uso e a avaliación da interface foamMooring para intercambiar cinemática e forzas entre o resolvedor de fluídos e o modelo de fondeo de maneira eficiente e robusta. O marco está deseñado para admitir grandes movementos de corpo ríxido mediante estratexias avanzadas de movemento de malla, en concreto morphing e overset, ao tempo que mantén unha definición nítida da superficie libre mediante técnicas de Volume of Fluid (VoF). Para abordar as coñecidas inestabilidades de masa engadida que poden afectar os esquemas de interacción fluído, estrutura, a tese avalía e emprega FloatStepper, un algoritmo non iterativo de seis graos de liberdade (6-DoF) que estabiliza o avance temporal de corpos flotantes lixeiros acoplados no seo de masas fluídas. A metodoloxía resultante utilízase para estudar plataformas dun só corpo en oleaxe, esténdese a sistemas multibody en interacción estreita con fondeos compartidos ou independentes, e complétase con estudos independentes en MoorDyn que exploran o comportamento dinámico de liñas catenarias con elementos auxiliares (por exemplo, clump weights) baixo excitación prescrita e condicións ambientais representativas. A motivación para un marco aberto e completamente acoplado está estreitamente ligada ao espazo de deseño en evolución das renovábeis mariñas. A medida que os conceptos 26 maturan desde demostradores individuais cara a grandes conxuntos (arrays), os custos e a complexidade a nivel de sistema medran en paralelo. As estratexias de fondeo compartido, as interconexións mecánicas e os deseños compactos orientados a reducir o custo nivelado da enerxía intensifican as interaccións hidrodinámicas e introducen novas restricións impulsadas pola dinámica acoplada. A literatura mostra como os resolvedores de fluxo potencial lineal, as análises no dominio da frecuencia e as ferramentas de radiación, difracción no dominio do tempo achegan visións de primeiro orde excelentes para o cribado de configuracións e o deseño de control, pero tamén como deben ser complementadas con ferramentas de maior fidelidade na presenza de efectos viscosos fortes, ondas rompendo e dinámicas de contacto. A aproximación proposta nesta tese recoñece esta complementariedade, procura ofrecer unha capacidade centrada en CFD, sensíbel aos sistemas de fondeo, que poida empregarse ben como instrumento principal de deseño para réximes non lineais, ben como referencia rigorosa para validar e calibrar modelos reducidos ou híbridos. Ao basear todos os desenvolvementos en software de código aberto, o traballo atende así mesmo á necesidade perentoria dunha investigación transparente e reproducíbel que a comunidade poida adaptar e estender. Os obxectivos da tese son tres. Primeiro, ensamblar, documentar e validar un acoplamento CFD, fondeo robusto baseado en OpenFOAM® e MoorDyn v2 que poida xestionar movementos de grande amplitude, dinámica realista das liñas e fluxos con superficie libre multifase con alta fidelidade numérica. Segundo, estender esta capacidade de plataformas individuais a sistemas multibody, incluíndo configuracións en proximidade e aquelas con liñas de fondeo compartidas ou disposicións de remolque, co fin de comprender como a interferencia hidrodinámica, a resonancia do oco (gap resonance) e a topoloxía de fondeo alteran as respostas globais e as tensións nas liñas. Terceiro, emprender un estudo dedicado e independente da capacidade predictiva e das propiedades numéricas de MoorDyn para sistemas de liñas de tipo catenaria que inclúen elementos como pesos puntuais (clump-weights) ou módulos de flotabilidade, mediante análises de converxencia e comparacións de esquemas de integración para establecer exactitude, estabilidade e eficiencia computacional de modo independente do acoplamento con CFD. En conxunto, estes obxectivos procuran reducir o risco asociado á adopción da simulación de alta fidelidade no deseño offshore ao longo dun abano representativo de problemas. A base metodolóxica preséntase en detalle no Capítulo 2. As ecuacións gobernantes para fluxo bifásico incompresíbel formúlanse en forma conservativa cun método VoF para a representación da interface da superficie libre. Póñese o acento en conciliar a precisión de captura da interface coas estritas esixencias de estabilidade e conservación en simulacións longas resoltas no tempo. O movemento de corpo ríxido das estruturas flotantes en seis graos de liberdade modélase empregando as bibliotecas de dinámica de OpenFOAM, considerando o efecto de masa engadida mediante un tratamento explícito que, sen mitigación, podería causar inestabilidades numéricas, como se verá ao longo do capítulo. Por iso introdúcese o algoritmo FloatStepper como estabilizador, que modifica o avance do corpo ríxido para ter en conta o acoplamento fluído, estrutura sen recorrer a custosas subiteracións...