一種浮式潮流能水輪機載荷試驗模擬方法

李廣年，韓 健

（1．寧波大學 海運學院，浙江 寧波 315211；2．上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

試驗技術是科學研究以及工程應用中一種必要的過程，新理論需要試驗結果做支撐。隨著計算機軟硬件技術的進步，數值模擬也為工程應用及科學研究提供了有效的技術支持，但是數值模擬的發展也需要以試驗結果作為驗證。此外，限于目前的條件，數值技術還不能模擬很多復雜的工程問題。因此，無論是理論創新還是數值模擬的發展，都離不開模型試驗技術。

浮式潮流能電站作為豎軸水輪機陣的載體漂浮在海洋中，同時受到浪流耦合力、水輪機轉動產生的周期性載荷、錨（系）泊力的作用，整個過程極其復雜，無論是數值分析還是模型試驗，完全模擬整個過程都是非常困難的。針對固定式海洋結構物開展物理模型試驗時，其動載荷加載相對簡單，而對浮基式海洋結構模型施加動載荷相對困難。浮式潮流能水輪機載體錨泊在海洋潮流中，以其為研究對象開展模型試驗時，水輪機載荷的施加成為難點之一。

類比于海上漂浮風機模型試驗，旋轉機械載荷模擬方法大概有3類：（1）等縮尺比制作模型，使用循環水槽或者拖曳水池等試驗裝置模擬潮流場[1-4]；（2）將水輪機、風機等效作為定常載荷[5]；（3）將旋轉機械作用效果等效為旋轉的圓盤（帶圓孔）[6-8]。通常所說的物理模型水動力性能試驗需同時滿足3個相似條件：幾何相似、運動相似、動力相似[9-10]。浮式潮流能電站利用海流發電是非常復雜的流體力學行為，動力相似難以在實驗室內實現；縱然通過各種技術實現實物與模型的動力相似，而按縮尺比制作的豎軸水輪機試驗模型，根據相似定律可知，該試驗也無法滿足介質相似，而且試驗水輪機模型載荷與實際豎軸潮流能水輪機載荷按縮尺比得到的載荷也不同。即現有浮式潮流能載體水動力性能模型試驗難以同時滿足多個相似準則。

本文嘗試采用“半耦合”的試驗模式，將浮式載體縮小后的模型放入水池中，而將水輪機的載荷用某種動載荷代替加載到浮式載體上，從而實現浮式載體工作過程的試驗模擬。考慮水輪機載荷低頻率、相對小量級的特點，該方法基于水流噴射，利用水流反作用力模擬水輪機載荷。搭建了浮式潮流能載體水輪機載荷模擬試驗平臺，并開發了相應的測試技術，同時論證載荷模擬裝置模擬的載荷在時域和頻域上與模型試驗所需水輪機載荷的對比一致性，期望為相關研究人員提供技術支持。

1 基本原理及試驗方法

首先確定水輪機實體在海流中的載荷（暫時無法通過實測得到真實載荷，本文利用水池試驗結果），其次由相似定律確定模型試驗中水輪機載荷值，確定應用于水輪機模型試驗的力載荷時程。控制水流噴射，通過基于噴射水流反作用力的替代方法對浮式載體模型進行力F和力矩M的模擬。通過水流控制系統控制管路噴水口水流量，標定控制系統信號與噴水反作用力之間的關系，進一步測量噴水反力作用下浮式載體所受到的作用力。根據若干次的試驗分析測試獲得動態耦合關系，從而確定基于噴水反作用力的動態加載模式，最終為浮式潮流能載體以及受力相似的海上浮式結構物水動力模型試驗所用。

整個實驗過程如圖1所示，水泵為整個噴水系統供水，電腦根據預先設定的程序控制比例閥開度，從而控制噴口的水流量，多余的水從泄壓口排出。為了減小通過比例閥的水壓波動，在水泵和比例閥之間安裝了一個蓄能氣瓶，用以平穩水壓。

圖1 試驗原理圖

整個過程可分為三步：（1）標定，即確定水流控制參數與噴水反作用力的對應關系。標定過程中通過改變比例閥的控制電壓值改變其開度，用以控制水流流量大小，同時測得不同電壓（即不同水流流量）對應的噴水反作用力，從而建立水流流量控制參數與噴水反作用力關系。（2）確定輸入信號。輸入信號，即待模擬的動態載荷。本文中提到的這種浮式潮流能載體水輪機載荷模擬試驗技術，假定實體水輪機載荷時程是已知的，可以是實測數據或者是軟件模擬結果，但必須有一定的可信度。根據縮比尺換算，確定載荷模擬試驗的載荷時程，并將載荷時程轉變成模擬信號，作為整個模擬試驗的輸入信號。（3）輸出信號測量，即測量噴水口的反作用力。由此前確定的輸入信號通過電腦控制比例閥噴水，同步測量噴水口的反作用力。分析測量得到的反作用載荷時程頻譜特性，并與輸入信號對比。力矩的模擬可以通過兩個單向力的乘積實現。同時啟動兩套水流噴射系統，用兩個噴口的噴水反作用力模擬水輪機動態載荷中的力矩和力。采用力與力矩的關系式(1)，可以得出F1與F2兩組力載荷時程。同時利用兩個水流噴射裝置，分別模擬這兩個力時程，即能同時模擬水輪機載荷的一個力和力矩。

式中：d為兩個測力點的距離。

根據實驗要求自行配備了試驗器材并進行組裝調試，主要包括以下部件，試驗儀器見圖2。

圖2 實驗儀器

2 標定與分析

標定即是確定輸入信號與噴射流反作用力之間的內在關系，確定比例閥電壓值與反作用力之間的關系。進一步通過噴射水流反作用力與電壓控制信號的比例關系，將待模擬載荷信號對應轉換為電壓控制信號。以電壓信號控制比例閥噴水，同時測得反作用力時程，并與原信號比對，進一步修正反作用力與電壓信號之間的擬合關系。

整個試驗過程中，比例閥接受控制電壓信號，控制噴水量，它自身的控制特性及對控制信號的頻響特性是試驗成功的關鍵所在。為了檢驗比例閥的控制特性，同時檢驗比例閥對控制電壓信號的頻響特性，試驗過程中首先對比例閥開展動態測試。使用一系列頻率不同的正弦波形電壓信號和方波電壓信號控制比例閥。測量電壓信號和比例閥控制下的噴射流反作用力的變化情況。高壓水泵將開源的水吸入管路，再由比例閥控制通過噴水口噴出，在這個過程中還有蓄能氣瓶調節水壓和流量。管路的壓力直接與噴射水流的反作用力相關，試驗過程中反復調節管路的水壓力，以期獲得比較好的試驗結果，本文選取了兩種不同的管路壓力試驗結果，分析管路壓力對試驗結果的影響。

試驗過程中選取了多種頻率的控制信號對比例閥控制及頻響特性進行測試，本文此處所展示的數據中所有控制電壓信號變化范圍均為1．5～4．5 V。

圖3為不同頻率方波的模擬數據。3種相對較低頻率控制電壓信號的模擬結果良好，盡管模擬數據有“毛刺”現象，但整體上模擬數據的波形與控制信號的波形吻合較好，尤其是方波數據拐點處，噴水反作用力模擬系統也可以模擬出這種時域的數據突變。同時統計發現模擬數據信號較之控制信號有延后現象，由于是整體數據的延遲，并不影響實驗結果的可信度。

圖3 力時程測試值(方波信號)

圖4為不同頻率的正弦波形的模擬數據。較之于上文的方波，此處控制信號頻率偏高，從數據結果看出，在10 Hz以下，控制信號與模擬數據波形比較吻合，當控制信號的波形大于10 Hz以后，模擬數據波形混亂，與控制信號差別較大，是因為整個噴水反作用測試裝置的頻率較低，無法滿足控制信號高頻需要的緣故。從模擬數據結果看，控制信號電壓幅值相同的情況下（1．5～4．5 V），頻率不同，模擬數據的幅值不一樣，高頻率時測得的幅值比較低，控制信號為5 Hz時測得模擬數據范圍為[-3．2,1．4]，同樣幅值的控制信號（1．5～4．5 V），在頻率變為8 Hz時相應的幅值范圍為 [-3．0,1．6]，當頻率為10 Hz時相應的數據幅值范圍是[-2．7,1．7]。在實際工程應用時應該對高頻控制信號進行修正。

圖4 力時程測試值(正弦信號：1．5～4．5 V)

噴水反作用力的大小主要取決于整個模擬系統管路內部的壓力大小，根據理論分析，管路內部壓力越大噴水反作用力的幅值越大。實驗過程中也證明了這一點，圖5分別為兩種管路壓力下的實驗結果，一個是 0．6 MPa，另一個是 0．8 MPa。圖中數據可見：管路高壓力下模擬數據明顯偏大，因此在工程應用過程中應該盡可能地增加模擬管路壓力，這樣可以有效地減小相對誤差。

3 力信號模擬

通過以上分析可以看出，噴射流反作用力載荷模擬方法比較適用于低頻動態載荷的模擬。豎軸潮流能水輪機載荷具有低頻特性，幅值變化相對平穩，在采用水動力模型試驗方法研究其對支撐載體的動力影響特性時，可以采用上文介紹的方法，用噴射流反作用力代替水輪機低頻載荷。

圖5 力時程測試值(正弦信號：1．5～4．5 V)

噴射流反作用力載荷模擬方法的前提是事先獲得真實的待模擬載荷時程。由于豎軸海洋潮流能水輪機尚處于工程應用推廣階段，目前還沒有開展水輪機載荷實測工作，也沒有一套被業內認可的豎軸水輪機載荷數值預報方法。因此本文選用模型試驗測試值作為真實的水輪機載荷，并考慮本次試驗過程中噴射流反作用力的幅值范圍以及試驗中信號發生器的輸入要求，對水輪機模型試驗測試值進行縮放，得到控制電壓信號，由控制電壓信號控制比例閥開度，噴口噴射水流，同時測量噴射流反作用力時程。

待模擬數據來自豎軸水輪機模型試驗測試值，選取其中兩個時段經過縮放進行模擬。

圖6給出的是兩段待模擬的力信號；圖7是設置對應的電壓信號，特意將信號范圍縮放在1．5～4．5 V之間；圖8是對應信號的頻譜特性；圖9是測試得到的力時程信號；圖10是測試得到的力時程能量譜及頻域特性。對比圖6與圖9，可以發現待模擬信號與測試信號比較吻合；對比圖8與圖10，待模擬信號頻譜特性與測試得到的力信號的頻譜特性也比較相似，只是高頻信號有損失。通過對比可知，待模擬信號與測試得到的力時程信號在時域、頻域方面吻合都比較好。

圖6 待模擬載荷時程

圖7 轉換后的電壓信號

圖8 待模擬載荷能量譜及頻域特性

圖9 測試得到的載荷時程

圖10 測試得到的載荷時程能量譜及頻域特性

4 結論

本文考慮潮流能水輪機模型試驗中相似準則難以滿足的問題，基于模型水輪機載荷的低頻率、相對小量級的特點，提出一種新的方法模擬海洋潮流能水輪機載荷特性，該方法基于水流噴射，利用水流反作用力模擬水輪機載荷。通過標定獲得了噴射水流的控制參數（電壓信號）與噴嘴反作用力之間的關系，獲得了比例閥動態響應的特性。利用標定的結果，將待模擬信號轉換為控制電壓信號。最后利用控制信號控制比例閥，完成了信號的模擬。模擬結果表明，噴水試驗測試結果與待模擬信號在時域、頻域方面比較吻合。通過研究可以得出以下結論：

（1）管路水壓對試驗結果有較大的影響，管路水壓力大時噴射流反作用力時程與控制信號吻合較好；反之，管路水壓力值小時，噴射流反作用時程與控制信號吻合度較差；應該在條件允許的情況下盡可能地調高管路水壓力值。

（2）在低頻率情況下，噴射流反作用力時程都與控制信號吻合度較好；當頻率增高時，噴射流反作用力時程波形出現“毛刺”小波動，與控制信號吻合度差。

（3）從試驗統計結果分析看，噴射水流反作用力信號與電壓控制信號相比有整體延遲現象。由于這是連續信號的整體延遲，可以不考慮這種延遲現象試驗結果的影響。

（4）電壓控制信號的幅值相同而頻率不同情況下，測試得到的噴射流反作用力有差別，高頻率控制信號獲得的噴射流反作用力幅值較之低頻率控制信號獲得的噴射流反作用幅值小。在操作過程中，應根據待模擬信號的實際情況，對轉換得到的控制信號進行修正。

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