漂浮式潮流電站載體水動力性能分析

陳浩，張亮

哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001

漂浮式潮流電站載體水動力性能分析

陳浩，張亮

哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001

基于三維勢流理論，在頻域范圍內(nèi)，采用DNV船級社的SESAM軟件系統(tǒng)，對某漂浮式潮流電站進(jìn)行了水動力性能分析。通過分析，得出了橫搖、縱搖、垂蕩等響應(yīng)變量的傳遞函數(shù)；結(jié)合載體實(shí)際工作時(shí)所處的海況，得出響應(yīng)譜，并對其耐波性進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。計(jì)算結(jié)果表明，載體在橫浪下垂蕩和橫搖較劇烈，各個(gè)浪向角下縱搖較接近。

漂浮式潮流電站；水動力性能；傳遞函數(shù)；響應(yīng)譜；短期預(yù)報(bào)

潮流電站載體可分為漂浮式、樁柱式和座底式。漂浮式潮流電站載體相較于樁柱式和座底式甲板面積較大，便于人員作業(yè)，并且可以直接拖回岸上維修，適應(yīng)深水海況；若水深大于40 m，海底為巖石，座海底式或樁柱式載體則無法滿足要求[3]。

水動力分析的目的是研究載體在海浪中的動態(tài)響應(yīng)。按照St．Denis和Pierson理論[4]，載體在海浪中的響應(yīng)是線性的，可用譜密度來描述其隨機(jī)性。所以，載體在隨機(jī)不規(guī)則波中的響應(yīng)譜可由單位波幅波中的響應(yīng)(傳遞函數(shù))和海浪譜來確定。由此可知，載體在規(guī)則波中響應(yīng)的分析是它在隨機(jī)不規(guī)則海浪中響應(yīng)分析的基礎(chǔ)。文中基于這一思想，利用勢流理論，采用SESAM軟件對某200 kW潮流電站載體的水動力性能進(jìn)行計(jì)算，為潮流電站浮式載體的選型提供了參考。

1 理論基礎(chǔ)

文中首先通過水動力計(jì)算，得到載體六自由度運(yùn)動變量的傳遞函數(shù)[5]。進(jìn)而結(jié)合海浪譜，得到各變量的響應(yīng)譜，對響應(yīng)譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到響應(yīng)值。

1.1 傳遞函數(shù)

通過水動力計(jì)算可以得到附加質(zhì)量、附加阻尼、回復(fù)力以及波浪力等信息，將這些數(shù)值代入如下六自由度運(yùn)動方程式中進(jìn)行求解，可以得到載體在規(guī)則波中的運(yùn)動響應(yīng)。

式中：Mjk為廣義質(zhì)量矩陣項(xiàng)，Ajk、Bjk、Cjk分別為由第k個(gè)自由度的運(yùn)動引起的第j個(gè)自由度的附加質(zhì)量系數(shù)、附加阻尼系數(shù)、回復(fù)力系數(shù)，統(tǒng)稱為水動力系數(shù)；Fj為船體在第j個(gè)自由度方向所受的波浪力，包括Froude-Krylov力和繞射力；kη、kη˙、kη˙˙分別為第k個(gè)自由度運(yùn)動的位移、速度和加速度；eω為遭遇頻率，它與波浪頻率ω有如下關(guān)系：

式中：V為航速，g為重力加速度，β為浪向角，文中載體無航速，故eω=ω。

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由載體在規(guī)則波中的運(yùn)動響應(yīng)可以得到載體與波浪之間的傳遞函數(shù)，傳遞函數(shù)又稱響應(yīng)幅值算子[6](response amplitude operator, RAO)，是用來描述載體在波浪中響應(yīng)的一種重要數(shù)。傳遞函數(shù)均以無量綱形式給出。其中，平動(即縱蕩、橫蕩、垂蕩)傳遞函數(shù)以規(guī)則波波幅無因次化，轉(zhuǎn)動(即橫搖、縱搖、艏搖)傳遞函數(shù)以波陡無因次化。以垂蕩和橫搖為例，無因次化過程如下：

式中：f(RAOz)、f(RAO?)分別為垂蕩和橫搖的傳遞函數(shù)；z0、?0分別為垂蕩和橫搖的運(yùn)動幅值；k為波數(shù)，ζ0為波幅。

1.2 波浪譜和響應(yīng)譜

波浪譜密度函數(shù)是平穩(wěn)隨機(jī)過程的頻率描述，它表示不規(guī)則波浪的能量相對于頻率的分布，所以又稱為能量譜[7]。目前在國際上廣泛采用的波浪譜有P-M譜和JONSWAP譜，其中JONSWAP譜形狀陡而尖，適用于風(fēng)區(qū)受限海域；而P-M譜則適用于充分發(fā)展的海域。對海區(qū)波浪參數(shù)進(jìn)行分析之后，決定采用IACS推薦的P-M雙參數(shù)（有義波高Hs，過零周期Tz）波浪譜。

對于電站載體等線性系統(tǒng)，其響應(yīng)譜等于波浪譜乘以系統(tǒng)的傳遞函的模f2(RAO)，即

2 建模

文中以某200 kW潮流電站載體為研究對象，使用DNV開發(fā)的軟件SESAM計(jì)算和分析其水動力性能。本次數(shù)值模擬用到的是其GeniE建模模塊及HydroD水動力計(jì)算模塊，在HydroD中調(diào)用WADAM程序計(jì)算，POSTRESP進(jìn)行結(jié)果分析。GeniE用于建立載體的流體動力模型，生成輸入接口文件T1．FEM；WADAM基于三維勢流理論，調(diào)用T1．FEM文件，計(jì)算此船的運(yùn)動響應(yīng)；Postresp用于顯示計(jì)算結(jié)果、譜分析等[8]。

電站載體主尺度 ：總長35 m，設(shè)計(jì)水線長5 m，寬度17 m，型深3 m，設(shè)計(jì)吃水1 m。

采用右手坐標(biāo)系，X軸為中縱剖面與基平面交線且指向船首，Y軸指向左舷，Z軸向上，原點(diǎn)為中站面、中縱剖面和基平面的交點(diǎn)。利用船體的對稱性，采用二分之一模型（左舷），如圖l所示。

圖1 載體濕表面模型

將T1．FEM文件導(dǎo)入HydroD中，如圖2。HydroD設(shè)置水深為40 m，波浪頻率范圍取：0.1～2.0rad/s；由于船體左右對稱，浪向范圍取：0～180°，間隔45°。定義迎浪時(shí)β=180°，左舷橫浪時(shí)β=90°，隨浪時(shí)β=0°。

圖2 載體水動力模型

3 計(jì)算結(jié)果及分析

從POSTRESP中提取計(jì)算數(shù)據(jù)，得到理想流體中載體在單位規(guī)則波下水動力響應(yīng)；載體工作海區(qū)典型有義波高Hs=2 m，Tz=5 s，使用PM譜模擬海況得到運(yùn)動響應(yīng)譜，并作短期預(yù)報(bào)。

3.1 運(yùn)動響應(yīng)傳遞函數(shù)

從圖3～5曲線可以看出：1）當(dāng)ω?zé)o限小，即波長λ無限長時(shí)，載體近似認(rèn)為是水中一質(zhì)點(diǎn)，其運(yùn)動可描述為“隨波逐流” ；當(dāng)ω?zé)o限大，即波長λ無限短時(shí)，水面可近似認(rèn)為不動，載體基本無運(yùn)動響應(yīng)；計(jì)算結(jié)果符合一般規(guī)律。2）波長與載體總長比(λ/L)對垂蕩和縱搖影響很大，一般其幅頻響應(yīng)曲線峰值發(fā)生在1＜λ/L＜2.5范圍內(nèi)；在零航速時(shí)峰值偏向低頻區(qū)，離載體固有周期較遠(yuǎn)，相對安全。由圖3、4可以看出垂蕩峰值出現(xiàn)在0.3 rad/s＜ω＜0.7 rad/s范圍內(nèi)，縱搖峰值在1 rad/s＜ω＜1.2 rad/s，都在低頻區(qū)；也與1＜λ/L＜2.5這一規(guī)律相吻合。各個(gè)浪向角下的縱搖響應(yīng)相近，單位波幅下縱搖角不超過5°。3）對于橫搖運(yùn)動，當(dāng)1.5 rad/s＜ω＜1.7 rad/s時(shí)，橫搖幅值比較大；浪向角 90°時(shí)出現(xiàn)最大值，此時(shí)載體處于共振區(qū)。但浪向角在±45°范圍內(nèi)，橫搖運(yùn)動較平穩(wěn)，單位波幅下橫搖角不超過8°。4）若拖航時(shí)控制載體和浪向的夾角范圍在±20°范圍內(nèi)，各個(gè)響應(yīng)值均比較小，運(yùn)動趨于安全[9]。

圖3 垂蕩響應(yīng)傳遞函數(shù)

圖4 縱搖響應(yīng)傳遞函數(shù)

圖5橫搖響應(yīng)傳遞函數(shù)

從以上分析可見，此載體運(yùn)動響應(yīng)符合一般船舶運(yùn)動規(guī)律。故文中采用的研究方法可行，計(jì)算結(jié)果可信?，F(xiàn)列出單位波幅下各個(gè)響應(yīng)的最不利海況及最大幅值，如表l所示。

表1 載體最不利海況及傳遞函數(shù)最大幅值

3.2 運(yùn)動響應(yīng)統(tǒng)計(jì)特征

船舶運(yùn)動響應(yīng)譜曲線如圖6～8所示。

圖6 垂蕩響應(yīng)譜

圖7 縱搖響應(yīng)譜

圖8 橫搖響應(yīng)譜

由響應(yīng)譜統(tǒng)計(jì)值可得此海況(Hs=2 m，Tz=5 s)持續(xù)3 h短期預(yù)報(bào)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。從表2可以看出：垂蕩和橫搖在橫浪時(shí)響應(yīng)最大，可能最大幅值分別達(dá)3.392 m和0.434 rad，應(yīng)盡量避開橫浪的情況?？v搖在各個(gè)浪向角下的有義值和可能最大值較相近，且數(shù)值較大，可見載體的縱搖是比較劇烈的。

表2 3h短期預(yù)報(bào)

3.3 長期預(yù)報(bào)

長期預(yù)報(bào)的時(shí)間通常為數(shù)年或全壽命周期，載荷和海況是變化的。根據(jù)微分思想，可以將許多短期預(yù)報(bào)有序組合起來做長期預(yù)報(bào)。用于長期預(yù)報(bào)的波浪散布圖選自《西北太平洋波浪統(tǒng)計(jì)集》[10]的Y1區(qū)塊（緯度：35°～37.5°～40°N，經(jīng)度：119.2°～122°～127°E），如圖9所示。Y1區(qū)塊中每個(gè)短期海況用P-M譜模擬，長期分布應(yīng)用兩參數(shù)Weibull模型擬合。

圖9 西北太平洋海域區(qū)塊劃分

表3 載運(yùn)動響應(yīng)長期預(yù)報(bào)

表3給出了10年重現(xiàn)期，20年重現(xiàn)期，30年重現(xiàn)期及50年重現(xiàn)期預(yù)報(bào)極值。

4 結(jié)束語

文中基于三維勢流理論，對某潮流電站的垂蕩、縱搖和橫搖響應(yīng)作了分析和短期預(yù)報(bào)。結(jié)果表明：載體在有義波高為2 m，跨零周期為5 s的海況下一旦遭遇橫浪作用，垂蕩和橫搖幅值比較大，此時(shí)非常危險(xiǎn)，應(yīng)加以防護(hù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮載體的水動力響應(yīng)特性，可使其6個(gè)自由度的運(yùn)動向高頻和低頻偏移，避開波浪能量集中的頻率范圍，使駁船具有較小的波浪響應(yīng)。

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Hydrodynamic performance analysis of floating current power station

CHEN Hao，ZHANG Liang

College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China

The hydrodynamic performance analysis of a floating current power station is presented with the DNV/SESAM in this paper. The analysis is carried out in frequency domain based on the three-dimensional potential flow theory. Transfer functions of motions, such as roll, pitch and heave are obtained. Besides, the short-term prediction of the seakeeping has been done and the response spectrum of the power station is obtained related to the actual sea state that the power station works on. The calculation result shows that the heave and roll is relatively violent in a beam sea, and the pitch is close in each wave direction.

floating current power station; hydrodynamic performance; transfer function; response spectrum; short-term prediction

TV744

A

1009-671X（2014）01-0065-04

10.3969/j.issn.1009-671X.201305020

2013-05-23.

國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目（2008BAA15B04）.

陳浩（1986-）, 男, 碩士研究生;張亮（1959-）, 男, 教授, 博士.

陳浩, E-mail: 543481013.qq.com.