波浪載荷作用下浮式風(fēng)機(jī)平臺基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及運(yùn)動響應(yīng)研究

茅蓉蓉

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通 226010）

風(fēng)能作為一種可再生能源，具有蘊(yùn)藏量大、清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源開發(fā)不可忽視的領(lǐng)域之一，不僅滿足國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，亦是我國實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要支撐[1]。目前淺海資源開發(fā)逐漸趨于飽和，深海風(fēng)資源豐富，我國海上風(fēng)電逐漸向深海發(fā)展[2]。漂浮式海上風(fēng)力機(jī)作為深遠(yuǎn)海風(fēng)能開發(fā)的必要技術(shù)手段，已成為目前海上風(fēng)能利用研究的重要方向。

張劍鋒等[3]建立了半潛式平臺的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS AQWA軟件分析了平臺的動態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證了平臺系泊系統(tǒng)的可靠性。施偉等[4]以南海海況下半潛浮式風(fēng)機(jī)為研究背景，采用ANSYS AQWA分析軟件，對浮式風(fēng)機(jī)在南海典型海況下的動力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析,探究了故障工況下半潛式平臺的動力學(xué)響應(yīng)。周紅杰等[5]利用ANSYS AQWA水動力分析軟件對NREL（美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室）5MW的半潛式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬分析，研究了波浪對平臺運(yùn)動的影響。綜上，ANSYS AQWA商業(yè)軟件作為漂浮式海工結(jié)構(gòu)水動力學(xué)數(shù)值計(jì)算專業(yè)工具，受到廣大研究者的青睞。

相較于傳統(tǒng)固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)所處的外部環(huán)境及其載荷更加惡劣，對于運(yùn)動響應(yīng)的預(yù)測難度更大，因此漂浮式海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性能成為研究重點(diǎn)與難題[6]。為了提高浮式風(fēng)機(jī)平臺的穩(wěn)定性，透孔型結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)來達(dá)到消波的目的[7]，例如透孔型垂蕩板、圓筒狀消波裝置等。

柳淑學(xué)[8]為研究開孔對垂蕩板水動力特性的影響，采用強(qiáng)迫振動試驗(yàn)方法對不同開孔率的垂蕩板的附加質(zhì)量系數(shù)和黏性阻尼系數(shù)進(jìn)行了研究，對相同開孔率不同開孔孔徑垂蕩板的水動力特性進(jìn)行了比較分析。陸志強(qiáng)[9]探究了不同倒角開孔數(shù)的垂蕩板對單浮筒的水動力響應(yīng)特性，以試驗(yàn)和數(shù)值模擬對比論證的方法得到規(guī)律結(jié)果，研究結(jié)果表明在高頻大波高的情況下，開孔的減蕩裝置相對不開孔模型有著更好的減蕩效果。Chakrabarti[10]提出一種優(yōu)化平臺垂蕩響應(yīng)的方法，即在半潛式平臺上加裝桁架式浮筒結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)加裝桁架式浮筒結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)垂直方向運(yùn)動中引入了較大的附加質(zhì)量和阻尼，從而改善共振問題對結(jié)構(gòu)物造成的不利影響。Srinivasan[11]將流體動力加重質(zhì)量和分離流阻尼的概念應(yīng)用于大型深水平臺設(shè)計(jì)中，選取加裝桁架式浮箱結(jié)構(gòu)的半潛浮式平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明垂蕩RAO的幅值只在固有周期附近出現(xiàn)，其他的RAO響應(yīng)均相對降低。

本文以5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺[12]作為研究對象，根據(jù)半潛浮式風(fēng)機(jī)平臺結(jié)構(gòu)特性，研發(fā)了一種可以提高消波、吸波性能的帶透孔的筒狀消波裝置。利用商業(yè)軟件ANSYS AQWA建立半潛浮式平臺加裝消波裝置的耦合模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬，對消波裝置的減搖效果進(jìn)行了研究分析，其結(jié)果能夠反映消波裝置對平臺結(jié)構(gòu)的影響，為平臺的設(shè)計(jì)制造提供參考意見。

1 數(shù)值方法

1.1 波浪載荷

根據(jù)三維勢流理論，入射波速度勢可由線形波理論（也稱Airy波浪理論）求解。Airy波理論適用于各種水深，具備良好的適應(yīng)性。本文采用Airy波理論建立波浪模型，假設(shè)流體為均勻、不可壓縮、無黏、無旋的理想流體，自由液面表面氣壓等于大氣壓；流體受到的質(zhì)量力僅考慮重力；流體質(zhì)點(diǎn)處于緩慢運(yùn)動中，且波浪的振幅遠(yuǎn)小于波長[13]。令坐標(biāo)軸原點(diǎn)位于靜水面上，z軸正方向?yàn)榇怪毕蛏希梢缘玫皆撟鴺?biāo)系下的Airy波波面方程：

式（1）中，η為波面高度；A為波幅；β為波向角；x、y為描述水質(zhì)點(diǎn)位置的坐標(biāo)。在無限水深的情況下，Airy波的彌散關(guān)系如下：

半潛浮式風(fēng)機(jī)平臺是大尺度構(gòu)件，波浪對平臺的作用力分為波浪激振力和輻射力。求得流體輻射勢和繞射勢，通過伯努利方程得到作用在浮體濕表面各點(diǎn)上的線性動水壓力[15]：

對流體動壓力沿平臺結(jié)構(gòu)表面積分，獲得作用于平臺的水動力和力矩如下：

1.2 運(yùn)動方程

根據(jù)剛體動力學(xué)理論，當(dāng)平臺工作的工況為規(guī)則波時，半潛式風(fēng)機(jī)浮式平臺的時域運(yùn)動方程表達(dá)式為

2 浮式平臺加裝消波裝置耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模型參數(shù)

本文采用美國國家可再生能源（NREL）設(shè)計(jì)的5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺作為研究對象，研究不涉及風(fēng)的影響，盡管計(jì)算模型不帶有風(fēng)力渦輪機(jī)，但考慮到了整體浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量等屬性。5MW OC4-DeepCwind平臺系統(tǒng)的主要參數(shù)見下表1半潛式平臺模型，主尺度如圖1所示。

圖1 平臺模型主視圖

表1 半潛式浮式平臺參數(shù)

2.2 系泊系統(tǒng)及其參數(shù)

為模擬浮式海洋平臺動力定位，并對浮式海洋平臺水平方向運(yùn)動進(jìn)行一定的約束，采用3根水平系泊纜系固于浮式平臺3個立柱上，相鄰系泊纜之間呈120°夾角。系泊系數(shù)如表2所示，系泊方式示意圖如圖2所示。

圖2 系泊方式

表2 系泊系數(shù)

2.3 消波裝置設(shè)計(jì)

在原始半潛浮式平臺上加裝一種可以提高消波、吸波性能的帶透孔的筒狀結(jié)構(gòu)，根據(jù)5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺的主要參數(shù)，初步確定了消波裝置的基礎(chǔ)尺度參數(shù)，取孔的直徑為5 m，孔間距為1.5 m，并將其固定在立柱下端，對加裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的浮式平臺進(jìn)行水動力分析，探究優(yōu)化后的平臺能否達(dá)到消波的作用。加裝消波裝置后的半潛浮式平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖3～圖5所示。

圖3 加裝消波裝置平臺主視圖

圖4 加裝消波裝置平臺俯視圖

圖5 加裝消波裝置平臺側(cè)視圖

3 優(yōu)化平臺水動力性能分析

本文應(yīng)用ANSNY AQWA軟件分別對5MW OC4-DeepCwind（以下簡稱OC4）原始半潛浮式平臺和加裝消波裝置平臺進(jìn)行建模和水動力性能分析，通過數(shù)值模擬結(jié)果對比，探究筒狀消波裝置能否對平臺起到消波減搖的作用。對于上述兩種浮式平臺，設(shè)定規(guī)則波工況條件如下：（1）來浪角度0°～315°，每隔45°設(shè)置一個計(jì)算方向；（2）浪高11.3 m、波浪周期為11.8 s；（3）平臺工作水深為200 m。

3.1 平臺加速度響應(yīng)分析

在浮式平臺在風(fēng)浪作用下，平臺重心位置在橫向和縱向的加速度比較大，因此在數(shù)值計(jì)算時，分別提取在縱蕩、橫蕩兩個方向的加速度。OC4原始半潛浮式平臺和加裝消波裝置平臺在縱蕩、橫蕩方向最大加速度以及水平方向的最大合加速度如圖6所示。

圖6 兩種平臺的縱蕩、橫蕩、水平方向最大加速度對比

從兩種平臺的縱蕩方向最大加速度對比圖可以得知：

（1）當(dāng)浪向角設(shè)置為45°時，原平臺水平方向最大加速度最小，為1.23 m/s2；

（2）當(dāng)浪向角設(shè)置為90°時，加裝消波裝置平臺水平方向最大加速度最小，為1.27 m/s2；

（3）當(dāng)浪向角設(shè)置為0°時，原平臺和加裝消波裝置平臺水平方向最大加速度均最大，分別為1.50 m/s2、1.73 m/s2；

（4）當(dāng)浪向角設(shè)置為45°、90°、225°、270°、315°時，兩種平臺水平方向最大加速度較小，平臺瞬時運(yùn)動較為穩(wěn)定；

（5）當(dāng)浪向角設(shè)置為0°、135°、180°時，兩種平臺水平方向最大加速度較大，平臺瞬時運(yùn)動較為劇烈，較大的運(yùn)動響應(yīng)會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)平臺發(fā)電效率下降等問題。

整體而言，加裝消波裝置平臺水平橫蕩最大加速度、縱蕩最大加速度、水平方向最大加速度變化趨勢基本與原平臺保持一致，因此外加消波裝置對水平方向加速度影響不大。

3.2 系泊纜張力分析

通過對原平臺和加裝消波裝置平臺的三根系泊纜繩張力進(jìn)行監(jiān)測，研究纜繩在不同浪向角環(huán)境載荷作用下張力情況，原平臺和加裝消波裝置平臺的系泊纜最大張力如圖7所示。

圖7 兩種平臺系泊纜最大張力對比

通過對兩種平臺系泊纜最大張力數(shù)據(jù)分析可得：

（1）由于兩種平臺均為關(guān)于中線面對稱布置，所以當(dāng)環(huán)境載荷變化時，系泊纜所受張力同樣呈對稱性，系泊纜最大張力隨浪向角變化規(guī)律一致；

（2）與原平臺相比，加裝消波裝置平臺的系泊纜最大張力變化范圍更小，分布更均勻，且均保持在系泊纜繩可承受范圍內(nèi)，故在不同浪向角情況下加裝消波裝置平臺均可處于安全工作狀態(tài)。

3.3 平臺六自由度運(yùn)動響應(yīng)分析

對原平臺和加裝消波裝置平臺的六自由度運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，原平臺和加裝消波裝置平臺的六自由度運(yùn)動響應(yīng)幅值如圖8所示。

圖8 兩種平臺的六自由度運(yùn)動響應(yīng)幅值對比

通過兩種平臺的六自由度運(yùn)動響應(yīng)幅值對比可知，加裝消波裝置在橫搖自由度上的減搖效果最為顯著。當(dāng)浪向角為90°時，加裝消波裝置平臺的最大橫搖運(yùn)動幅值減小90.17%，在其他浪向角下，橫搖運(yùn)動幅值均有不同程度的減小；在縱搖自由度上，當(dāng)浪向角為90°時，最大縱搖運(yùn)動幅值減小80.40%；在各浪向角情況下，加裝消波裝置對平臺橫蕩、縱蕩、垂蕩、艏搖自由度運(yùn)動的影響較小。綜上所述，加裝消波裝置對半潛浮式平臺的搖晃抑制以及平臺整體水動力性能優(yōu)化具有顯著效果。

4 結(jié)論

本文根據(jù)5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺的結(jié)構(gòu)特性，研發(fā)了一種帶透孔的筒狀消波裝置。基于三維勢流理論、Morison理論和波浪理論，利用商業(yè)軟件ANSYS AQWA建立半潛浮式平臺加裝消波裝置的耦合模型，并在一定海況下對原平臺和加裝消波裝置平臺的水動力性能進(jìn)行對比分析，得出以下研究結(jié)論：

（1）在相同波浪工況下，外加消波裝置對平臺水平方向加速度的影響極小；與原平臺相比，加裝消波裝置平臺的系泊纜最大張力變化范圍更小，分布更均勻，且均保持在系泊纜繩可承受范圍內(nèi)，故在不同浪向角情況下加裝消波裝置平臺均可處于安全工作狀態(tài)。

（2）在平臺運(yùn)動響應(yīng)方面，消波裝置的搖晃抑制作用主要體現(xiàn)在平臺的橫搖運(yùn)動上，當(dāng)浪向角為90°時，加裝消波裝置平臺的最大橫搖運(yùn)動幅值較原平臺減小90.17%，加裝消波裝置平臺表現(xiàn)出優(yōu)于原平臺的水動力性能。

（3）使用ANSYS AQWA軟件，采用時域分析方法可較好模擬平臺在規(guī)則波工況下的運(yùn)動響應(yīng)變化趨勢，但響應(yīng)幅值與實(shí)際值還存在差距。若要更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)平臺運(yùn)動響應(yīng)、分析加裝消波裝置對平臺運(yùn)動產(chǎn)生的減搖機(jī)理，還應(yīng)綜合考慮黏性阻尼等因素，并進(jìn)一步探究強(qiáng)非線性載荷下加裝消波裝置對平臺水動力性能產(chǎn)生的影響。