波浪能發(fā)電平臺系泊系統(tǒng)耦合動力響應(yīng)及水動力分析?

馮 亮， 李 昕， 史宏達(dá)， 韓 治， 董曉晨， 何京可

(中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100)

近幾年來，波浪能的利用已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題[1]。本文課題項(xiàng)目選址于山東省日照市以東50 n mile的黃海冷水團(tuán)海域。為了滿足我國黃海冷水團(tuán)海域綠色養(yǎng)殖發(fā)展對清潔能源的實(shí)際需要，更好的利用清潔能源，為三文魚(Oncorhynchus)生長提供安全、適宜的生長環(huán)境，提高養(yǎng)殖生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)極端海況條件下的安全自動化生產(chǎn)，為平臺網(wǎng)箱系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的能源供應(yīng)。本文利用點(diǎn)吸收(振蕩浮子)技術(shù)[2]，設(shè)計了一種新型波浪能發(fā)電平臺，并對平臺整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了水動力分析和耦合動力分析。

針對海洋平臺系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動響應(yīng)及水動力分析這一問題，國內(nèi)外許多學(xué)者都進(jìn)行過深入研究。Feng Heng等[3]運(yùn)用MOSES程序系統(tǒng)，對深水半潛式鉆井裝置的運(yùn)動性能和系泊系統(tǒng)進(jìn)行了分析；Shan Ma 等[4]基于異步耦合算法，對浮式平臺及其錨泊系統(tǒng)的動態(tài)耦合分析進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與Spar平臺商業(yè)軟件模擬結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了其數(shù)值模型的可靠性；Yougang Tang等[5]在前人研究的理論基礎(chǔ)之上，對深水中的錨泊系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究；Zhaochen Sun等[6]研究了在浪和流的作用下，深吃水多桿型平臺及其系泊系統(tǒng)在時域范圍內(nèi)的耦合動力響應(yīng)；Jiayang Gu等[7]研究了張力腿平臺在隨機(jī)波浪下的耦合響應(yīng)；徐剛和段文洋[8]基于Rankine源的邊界元法，針對半潛式平臺的波浪繞射問題，進(jìn)行了時域模擬；劉灶和陳超核[9]在時域范圍內(nèi)，分別計算了張緊式系泊系統(tǒng)和懸鏈?zhǔn)较挡聪到y(tǒng)耦合運(yùn)動響應(yīng)并進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)深水環(huán)境中，采用張緊式系泊較好；趙晶瑞等[10]基于集中質(zhì)量法，建立了系泊纜的柔性計算模型，分析了海流流速及纜繩與海底摩擦對系泊纜動態(tài)張力的影響。

在前人的研究基礎(chǔ)之上，本文分別采用基于三維勢流理論[11]的水動力軟件Sesam和基于有限體積法的Flow3D軟件對平臺和發(fā)電浮子進(jìn)行水動力分析，然后應(yīng)用Orcaflex軟件，建立數(shù)值模型，在頻域范圍內(nèi)，對平臺及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合動力響應(yīng)研究，分別分析了平臺在自存工況和作業(yè)工況下的運(yùn)動響應(yīng)。

本文所研究的平臺與傳統(tǒng)的海上作業(yè)平臺最大的不同點(diǎn)在于：在設(shè)計時，利用了點(diǎn)吸收(振蕩浮子)技術(shù)，安裝了發(fā)電浮子，作為該平臺的捕能系統(tǒng)，捕能系統(tǒng)依靠浮子在波浪中的上下運(yùn)動，將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能來進(jìn)行發(fā)電。

1 平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)

該平臺由六角形甲板、立柱、浮筒、發(fā)電浮子、斜撐以及下層垂蕩板構(gòu)成(見圖1)，平臺主尺度參數(shù)見表1。系泊系統(tǒng)采用半張緊式，選用3根系泊纜對稱的布置形式，系泊系統(tǒng)具體布置情況如圖2所示。選擇R4 ABS-DNV 60規(guī)格的無檔錨鏈，錨鏈長度為135 m，直徑為0.06 m，破斷強(qiáng)度為3 867 kN,濕重為72 kg/m。

2 水動力分析

2.1 平臺勢流基礎(chǔ)下的水動力分析

本文根據(jù)計算平臺的主尺度及結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別建立了波浪能發(fā)電平臺和發(fā)電浮子在Sesam中的水動力

圖1 平臺結(jié)構(gòu)模型

a 系泊系統(tǒng)側(cè)視圖

b系泊系統(tǒng)俯視圖

項(xiàng)目①特征②尺度③/m 主甲板(六邊形)④邊長⑤9.00立柱⑥高度⑦直徑⑧6.301.92長浮筒⑨長度⑩直徑⑧14.001.92短浮筒長度⑩直徑⑧9.001.92斜立柱直徑⑧1.92垂蕩板(十二邊形)邊長⑤3.81發(fā)電浮子底圓直徑⑧3.6發(fā)電浮子高度⑦2.3垂蕩板距浮筒中心線距離4.00

Note：①Project；②Feature；③Scale；④Main deck (hexagonal)；⑤Side length；⑥Column；⑦Height；⑧Diameter；⑨Long float；⑩Length；Short float；Oblique column；Heave plate (twelve-sided)；Bottom circle of power generation float；Power generation float；Distance between the heave plate and the centerline of the float；Distance

簡化模型(見圖3)，發(fā)電浮子的水動力模型如圖4所示。然后運(yùn)行Sesam-HydroD模塊分別對平臺和發(fā)電浮子進(jìn)行水動力分析。

本文計算選取的浪向角為0°～90°，間距15°，工作水深50 m，通過計算得到平臺6個自由度的RAO響應(yīng)如圖5所示。

從圖5中可以看出，平臺的垂蕩運(yùn)動對波浪方向并不敏感，各方向下的運(yùn)動響應(yīng)趨勢基本相同，在波浪周期為18 s左右時出現(xiàn)最大峰值，而一般情況下，常規(guī)的波浪周期為6～14 s，可見平臺垂蕩響應(yīng)的固有周期在常規(guī)波浪周期范圍之外，因此，平臺具有良好的垂蕩性能，能避免與波浪發(fā)生共振；縱蕩和橫蕩、縱搖和橫搖的運(yùn)動響應(yīng)趨勢基本一致，這是由于平臺的結(jié)構(gòu)對稱性決定的。在波浪順浪(0°)入射時，平臺的主要的運(yùn)動模態(tài)為縱蕩、縱搖以及垂蕩；在90°橫浪入射時，平臺的主要的運(yùn)動模態(tài)為橫蕩、橫搖和垂蕩；平臺的橫搖和縱搖運(yùn)動都在波浪周期為5 s左右時，出現(xiàn)最大峰值，平臺波頻運(yùn)動較大，實(shí)際設(shè)計中需要引起足夠重視。

圖3 平臺水動力簡化模型

圖4 發(fā)電浮子水動力模型

圖5 平臺6個自由度的RAO響應(yīng)

由于本文所研究的平臺主要依靠平臺和發(fā)電浮子的相對運(yùn)動進(jìn)行發(fā)電，因此，在分析平臺發(fā)電性能時，本文將主要分析平臺和發(fā)電浮子的垂蕩運(yùn)動響應(yīng)，分別提取平臺和發(fā)電浮子的垂蕩運(yùn)動響應(yīng)數(shù)據(jù)，得到平臺和發(fā)電浮子垂蕩運(yùn)動響應(yīng)曲線(見圖6)。從圖6中可以看出，發(fā)電浮子垂蕩運(yùn)動的固有周期在4 s左右，平臺垂蕩運(yùn)動固有周期在18 s左右，而一般的常規(guī)波浪周期在6～14 s左右，可見，正常海況下，平臺與發(fā)電浮子垂蕩運(yùn)動相對幅值滿足捕能系統(tǒng)的發(fā)電需求。

圖6 平臺和發(fā)電浮子垂蕩運(yùn)動響應(yīng)結(jié)果

2.2 平臺有限體積法的水動力分析

根據(jù)計算平臺的主尺度及結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立了波浪能發(fā)電平臺與發(fā)電浮子在Flow3D中的水動力模型。然后利用有限體積法對其進(jìn)行水動力分析，平臺數(shù)值水槽及裝置模型如圖7所示。數(shù)值計算中流體類型假設(shè)為黏性不可壓縮流體，控制方程采用連續(xù)性方程及雷諾平均NS方程，為了精確模擬裝置與波浪間的湍流作用，仿真選用了RNGk-ε模型。

數(shù)值水槽的左側(cè)選取了Flow3D自帶造波邊界、右側(cè)和底側(cè)采用了無剪力墻邊界，兩側(cè)選取對稱邊界，頂部采用壓力邊界，其數(shù)值設(shè)置為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。水槽右側(cè)黃色區(qū)域?yàn)樽枇ο▍^(qū)。水槽水深設(shè)置為20 m,入射波采用規(guī)則波，周期6 s，波幅0.65 m。將計算得到的浮子的垂向位移和平臺垂向位移相減，得到了浮子與平臺的相對運(yùn)動時程圖(見圖8)，從圖8中可以發(fā)現(xiàn)，平臺和浮子運(yùn)動平穩(wěn)后，浮子與平臺相對運(yùn)動振幅在0.3～0.4 m間，滿足發(fā)電需求。

圖7 平臺數(shù)值水槽及裝置模型圖

圖8 平臺與浮子相對運(yùn)動時程圖

3 時域耦合分析

根據(jù)黃海冷水團(tuán)工程示范海域資源調(diào)查工作所得資料，自存工況環(huán)境荷載采用10年一遇有效波高6.1 m，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2所示。作業(yè)工況選用黃海海域年平均有效波高1.3 m，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。本文假定風(fēng)浪流作用在同一方向上，分別以與坐標(biāo)成0°、30°、60°和90°四個方向進(jìn)行計算。分別分析了平臺及其系泊系統(tǒng)在自存工況和作業(yè)工況2種工況下的耦合運(yùn)動。

3.1自存工況時域耦合分析

根據(jù)API RP 2SK[12]設(shè)計規(guī)范，采用動力分析計算時，對于完好的系泊系統(tǒng)，系泊纜最大張力的安全系數(shù)取1.67，其中系泊纜最大張力安全系數(shù)指系泊纜破斷強(qiáng)度與所受最大張力的比值。對1中初步設(shè)計的系泊系統(tǒng)以自存工況進(jìn)行4個方向的時域耦合分析，模擬計算時間為3 h，下面僅選取平臺縱蕩、橫搖、垂蕩最大值時的時歷響應(yīng)結(jié)果以及系泊纜最大張力的時歷響應(yīng)結(jié)果(見圖9)，平臺自存工況下的運(yùn)動響應(yīng)結(jié)果(見表4)，系泊纜張力響應(yīng)結(jié)果見表5。

表2 平臺自存工況環(huán)境條件

Note：①Water depth；②Wave spectrum；③Effective wave height；④Peak period；⑤Wind spectrum；⑥Average wind speed；⑦Surface flow rate

表3 平臺作業(yè)工況環(huán)境條件

Note：①Water depth；②Wave spectrum；③Effective wave height；④Peak period；⑤Wind spectrum；⑥Average wind speed；⑦Surface flow rate

圖9 自存工況下平臺耦合運(yùn)動時歷響應(yīng)結(jié)果

環(huán)境力方向①/(°)縱蕩②/m橫蕩③/m垂蕩④/m橫搖⑤/(°)縱搖⑥/(°)艏搖⑦/(°)015.177.773.9510.4226.793.953014.469.873.9517.2921.229.986011.4610.913.9322.0616.049.18904.1311.483.9824.6711.692.79

Note：①Direction of environmental force；②Surge；③Sway；④Heave；⑤Roll；⑥Pitch；⑦Yaw

表5 自存工況下平臺系泊纜張力響應(yīng)結(jié)果

Note：①Direction of environmental force；②The most stressed mooring；③Maximum value；④Average value；⑤Safety factor

從表4中可以看出，垂蕩運(yùn)動響應(yīng)變化并不明顯，對波浪方向不敏感；平臺縱蕩和縱搖運(yùn)動響應(yīng)具有相似的變化趨勢，都在0°浪向時，運(yùn)動響應(yīng)值最大；橫蕩和橫搖運(yùn)動響應(yīng)變化趨勢與縱蕩和縱搖運(yùn)動響應(yīng)變化趨勢正好相反，在90°浪向時，運(yùn)動響應(yīng)值最大；艏搖運(yùn)動在30°浪向時，運(yùn)動響應(yīng)達(dá)到最大值，運(yùn)動響應(yīng)變化趨勢沒有規(guī)律性。由于本文所研究的平臺與傳統(tǒng)的半潛式平臺在功能和作業(yè)海況方面存在很大差異，極端海況時，平臺處于張緊式，依靠系泊纜自身的彈性將平臺控制在一定范圍內(nèi)，工作海域10年一遇海況下的最大水平位移會受到自身系泊纜的長度的影響。因此，自存工況下，本文只考慮錨泊線的安全系數(shù)是否符合規(guī)范要求。從表5可以看出，錨泊線的安全系數(shù)均大于API RP 2SK規(guī)范規(guī)定的1.67，平臺最大錨鏈張力出現(xiàn)在Line3，安全系數(shù)為2.89，滿足API規(guī)范的要求。因此，平臺具有良好的安全性能，能夠適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境。

3.2 作業(yè)工況時域耦合分析

作業(yè)工況下，主要依靠平臺和發(fā)電浮子的相對運(yùn)動將波浪能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行發(fā)電。本節(jié)計算的重點(diǎn)是平臺在不同浪向作用下的運(yùn)動響應(yīng)。主要從以下兩個方面對新型波浪能發(fā)電平臺的運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行分析：(1)不同浪向下，新型波浪能發(fā)電平臺的運(yùn)動響應(yīng)特點(diǎn)；(2)不同浪向?qū)π滦筒ɡ四馨l(fā)電平臺的發(fā)電性能的影響。將設(shè)計好的系泊系統(tǒng)以作業(yè)工況進(jìn)行4個方向的時域耦合分析，模擬計算時間為3 h，下面僅選取平臺縱蕩、橫搖、垂蕩最大值時的時歷響應(yīng)結(jié)果以及系泊纜最大張力的時歷響應(yīng)結(jié)果(見圖10)，平臺作業(yè)工況下的運(yùn)動響應(yīng)結(jié)果(見表6)。

從表6中可以看出，平臺6個自由度的運(yùn)動響應(yīng)趨勢變化與自存工況所對應(yīng)的自由度的運(yùn)動響應(yīng)趨勢變化類似；平臺垂蕩運(yùn)動響應(yīng)對波浪方向變化并不敏感，說明，在作業(yè)工況下，平臺的捕能系統(tǒng)不受波浪方向變化的影響，捕能系統(tǒng)能夠滿足發(fā)電需求。作業(yè)工況時，平臺系泊系統(tǒng)處于懸鏈線式，由于通常情況下，平臺的縱蕩和橫蕩的運(yùn)動幅值小于水深的6%，所以，本文計算的新型波浪能發(fā)電平臺的運(yùn)動幅值是滿足要求的。

表6 作業(yè)工況下平臺運(yùn)動響應(yīng)結(jié)果

Note：①Direction of environmental force；②Surge；③Sway；④Heave；⑤Roll；⑥Pitch；⑦Yaw

圖10 作業(yè)工況下平臺耦合運(yùn)動時歷響應(yīng)結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過對一新型波浪能發(fā)電平臺及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合動力響應(yīng)及水動力分析。其中利用了SESAM軟件及Flow3D軟件從不同角度對平臺進(jìn)行了水動力分析，并應(yīng)用Orcaflex軟件對平臺及其系泊系統(tǒng)進(jìn)行耦合動力分析。由于該平臺與傳統(tǒng)半潛式平臺在工作水深、尺寸、重量以及功能方面存在很大不同。因此，在對平臺進(jìn)行水動力分析和系泊系統(tǒng)耦合動力分析時，分析的角度不同，分析時依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)不同。最終，本文得到以下結(jié)論：

(1) 該平臺6個自由度的水動力響應(yīng)曲線的變化規(guī)律與實(shí)際情況吻合。90°浪向下，主要的運(yùn)動模態(tài)為橫蕩和橫搖；0°浪向下，主要的運(yùn)動模態(tài)為縱蕩和縱搖；平臺垂蕩運(yùn)動的RAO響應(yīng)對波浪方向并不敏感。

(2) 在正常海況下，平臺與發(fā)電浮子垂蕩運(yùn)動相對幅值滿足捕能系統(tǒng)的發(fā)電需求。

(3) 自存工況下，平臺錨泊線的安全系數(shù)符合規(guī)范要求。說明平臺具有良好的安全性能，能夠適應(yīng)惡劣的海洋環(huán)境。

(4) 作業(yè)工況下，平臺垂蕩運(yùn)動響應(yīng)良好，捕能系統(tǒng)不受波浪方向變化的影響，能夠滿足發(fā)電需求。