曹猛猛, 巫緒濤, 朱海峰

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

基于AQWA的潮流能發(fā)電平臺穩(wěn)定性研究

曹猛猛, 巫緒濤, 朱海峰

(合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

文章應(yīng)用水動力學軟件AQWA對在隨機波浪荷載和風、流荷載聯(lián)合作用下的浮動式發(fā)電平臺的穩(wěn)定性進行研究,分析了5種工況下該平臺遭遇迎浪(0°浪向角)、艏斜浪(45°浪向角)、橫浪(90°浪向角)時的橫蕩、縱蕩、艏搖運動響應(yīng)幅值,比較了該平臺在破損工況(有系泊纜斷裂工況)和完整工況(無系泊纜斷裂工況)下的運動響應(yīng)幅值。結(jié)果表明:平臺的艏搖、橫蕩和縱蕩運動響應(yīng)的最大值分別發(fā)生在遭遇艏斜浪、迎浪和橫浪時;在系泊纜斷裂瞬間該平臺所有方向運動響應(yīng)均有大幅增加,其中破損自存工況下艏搖運動響應(yīng)幅值是完整工況下的6～7倍。

浮動式發(fā)電平臺;AQWA軟件;穩(wěn)定性;運動響應(yīng)幅值

Stability analysis of tide power generation

面對日趨緊張的能源需求,加強對海洋資源的開發(fā)利用已成為當務(wù)之急,浮動式海洋平臺的運用也日益廣泛。相對于其他形式的海洋平臺,浮動式海洋平臺把設(shè)備安裝在船體上,靠錨系或動力定位,在漂浮狀態(tài)下作業(yè)。平臺的結(jié)構(gòu)形式簡單,安裝方便,并可在幾十米至上千米水深的海域工作。但浮動式海洋平臺受風浪載荷影響較大,較大的運動響應(yīng)會干擾設(shè)備、人員的正常工作。因此,為了保證海洋平臺的正常作業(yè)和安全性,確定海洋環(huán)境載荷作用下平臺的運動響應(yīng)、系泊纜張力和結(jié)構(gòu)強度非常重要。

目前對海洋平臺的相關(guān)研究包括穩(wěn)定性、系泊纜布置方案及系泊纜強度分析、網(wǎng)格尺寸的影響等。文獻[1]針對港口內(nèi)靠碼頭系泊船波浪力的時域計算提出了一種耦合數(shù)值方法;文獻[2]通過在時域內(nèi)計算泊船的運動響應(yīng),引入了船體阻尼系數(shù)在低頻時的迭代算法,并且將計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行了比對;文獻[3]分析了網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)水動力特性計算結(jié)果的影響,結(jié)果表明網(wǎng)格尺寸對結(jié)構(gòu)附加質(zhì)量、附加阻尼有一定影響,對波激力和結(jié)構(gòu)的幅值響應(yīng)算子影響不大;文獻[4]使用7種不同數(shù)值軟件,運用輻射/衍射理論對浮體的運動狀況和系泊系統(tǒng)進行了分析,并比較了7種不同軟件的計算結(jié)果;文獻[5]運用有限元軟件對海洋平臺進行仿真分析,研究了在平臺上安裝阻尼裝置后海洋平臺的響應(yīng),結(jié)果顯示阻尼器能夠顯著減小由波浪引起的結(jié)構(gòu)振動;文獻[6]應(yīng)用計算流體力學技術(shù)對一自升式平臺甲板上波浪情況進行了詳細計算,結(jié)果顯示Stokes五階波理論能夠?qū)ζ脚_進行較好的設(shè)計和安全評估;文獻[7]對風力渦輪發(fā)電機進行了實驗結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果比對,并通過比較橫蕩、垂蕩、縱搖在不同時域、不同頻域、不同風速及有義波高情況下的加速度響應(yīng)譜,得出了風力渦輪發(fā)電機的最佳作業(yè)工況;文獻[8]基于勢流理論對船舶橫搖運動姿態(tài)的波浪增阻進行了分析,給出了解析表達式,并將波浪增阻理論值與仿真值對比,驗證了模型分析法的可行性;文獻[9]應(yīng)用三維勢流理論和波浪的輻射/衍射理論分析了蝶形越浪式波能發(fā)電裝置在規(guī)則波作用下6個自由度上運動的響應(yīng)幅值算子,并考慮不規(guī)則波情況下風、浪、流共同的作用,對裝置在工作海況和惡劣海況下的運動響應(yīng)進行數(shù)值模擬分析,得到了裝置的時間歷程結(jié)果;文獻[10]針對浮動平臺在波浪中的輻射力提出了一種新的算法——遞歸運算,在每個時間步可以自動重新計算;文獻[11]對Spar-type離岸風力渦輪機的浮子結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)、懸鏈線系泊纜的總長度和連接位置進行了分析研究,得到了結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的起因和適當?shù)南挡蠢|長度及連接位置。上述研究成果中,大多是有關(guān)水動力特性的頻域分析,關(guān)于平臺穩(wěn)定性的時域分析很少。

本文結(jié)合水動力學軟件AQWA,并參考文獻[12]中提及的流固耦合方法,分析了浮動發(fā)電平臺在完整作業(yè)工況、破損作業(yè)工況、完整自存工況、破損自存工況和極限工況下的運動響應(yīng)幅值,得出平臺的穩(wěn)定性情況;將平臺在5種工況下遭遇3個角度風浪時的運動響應(yīng)幅值進行比較,得出威脅平臺穩(wěn)定性的浪向角,為實際應(yīng)用中處于不同海況下發(fā)電平臺的穩(wěn)定性提供參考。

1 計算理論基礎(chǔ)

當系統(tǒng)簡化成線性系統(tǒng),入射荷載僅包含一階項時,運動方程可以利用頻域分析理論來求解。但是如果考慮二階波浪荷載、非線性黏性阻尼和風、流引起的力及力矩等包含非線性項的外界荷載時,頻域方法不再適用,需要在時域內(nèi)求解含有非線性項的運動方程[13]：

Fsv+Fc+Fw+FT+Fh+Fd

(1)

其中,x(t)為包含位移和轉(zhuǎn)角的廣義位移矢量;Ms為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量矩陣;Md為漂移頻率下結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量矩陣;Fsv為慢漂力列陣;Fc為廣義流荷載列陣(包括縱向流力Fcx、橫向流力Fcy和艏搖流力矩Mcxy);Fw為風荷載列陣(包括縱向風力Fwx、橫向風力Fwy和繞垂向軸的艏搖風力矩Mwxy);FT為系泊力列陣;Fh為靜水壓力列陣;Fd為阻尼力列陣。通常認為在系統(tǒng)計算過程中,低頻附加質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量、阻尼力為常數(shù)。

t時刻的慢漂力Fsv(t)的表達式為：

(εi-εj)]}

(2)

Fh是指當平臺固定不動時,作用在平臺上的流體靜壓力,其在t時刻的向量表達式為：

Fh(t)=B+K[xz-xe(t)]

(3)

其中,B為結(jié)構(gòu)平衡時的浮力;K為結(jié)構(gòu)平衡位置的剛度矩陣;xz為重心位置矢量;xe(t)為t時刻結(jié)構(gòu)的位置矢量。

已知風速時,平臺受到的風荷載[14]為:

(4)

其中,ρw為空氣密度,氣溫20 ℃時,ρw=1.224 kg/m3;vw為海平面以上10 m處的風速;AT、AL分別為艏向和側(cè)向受風面積;Lpp為垂線間長;Cwx、Cwy、Cwxy分別為縱向、橫向風力系數(shù)和艏搖風力矩系數(shù),根據(jù)模型試驗得到。

已知流速時,平臺受到的流力荷載[14]為:

(5)

其中,ρc為海水密度,ρc=1.025×103kg/m3;vc為平均流速;H為船體吃水高度;Ccx、Ccy、Ccxy分別為縱向、橫向流力系數(shù)和艏搖流力矩系數(shù),一般也根據(jù)模型試驗得到。

單根系泊纜產(chǎn)生的非線性系泊力[15]可以表示為:

(6)

其中,sm為系泊纜軸線方向的位移;k為系泊纜線性剛度;γ為系泊纜的非線性剛度。系泊力FT為所有系泊纜張力Tl之和。

2 平臺有限元模型及環(huán)境荷載參數(shù)

該浮動發(fā)電平臺主要結(jié)構(gòu)包括船體、浮漂、導流罩和葉片、欄桿、吊桿及樓梯,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:總長10.00 m,總寬9.40 m,總深1.50 m,吃水1.00 m,總重20 kN。

平臺采用四腳錨固方案,并通過浮筒與海底和平臺鏈接,可以減小系泊纜自重對平臺穩(wěn)定性的影響,同時也可以減少系泊纜對平臺的拖拽力。采用整體建模方法建立有限元模型,如圖1所示。

圖1 有限元模型網(wǎng)格劃分

設(shè)置浮心與重心重合,細長管狀結(jié)構(gòu)(如欄桿等)采用pipe59管單元,其余如甲板、浮筒等結(jié)構(gòu)采用shell63面單元。由于AQWA要求1個波長至少要覆蓋7個最大單元尺寸,水面下繞射單元網(wǎng)格的最大尺寸由最大波浪頻率控制。綜合考慮計算精度及耗時,設(shè)定其尺寸為0.3 m。在ANSYS中建模后通過anstoaqwa轉(zhuǎn)換宏將模型的節(jié)點和單元信息導入AQWA的LINE文件,由AQWA計算出平臺所受的一階波浪力以及 (2) 式與(3) 式中的慢漂力和靜水壓力等。進行時域分析時通過編輯DRIFT文件,利用 (4) 式、(5) 式計算出風、流荷載,并調(diào)用LINE文件的計算結(jié)果,最終得到平臺的非線性系泊力和時域響應(yīng)。

平臺所在海域的主要環(huán)境參數(shù)如下:

(1) 海流在作業(yè)工況、自存工況、極限工況下的流速分別為2.0、4.0、5.0 m/s,流向取0°、45°、90°。

(2) 在作業(yè)工況、自存工況、極限工況下的海風風速分別為11.0、17.2、33.0 m/s,風級分別為4～5、7～8、12級,風譜為API譜,風向取0°、45°、90°。

(3) 在作業(yè)工況、自存工況、極限工況下海浪的有義波高分別為0.40、4.00、12.21 m,平均波周期分別為4.00、8.00、11.85 s,波譜為Pieron-Moskowitz譜,波向取0°、45°、90°。

停泊在海上的大型浮體結(jié)構(gòu),由于其質(zhì)量大且系泊纜柔軟,在水平面上會發(fā)生周期性的震蕩運動。其中橫蕩、縱蕩、垂蕩分別指沿x軸方向(船首到船尾方向)、y軸方向(船寬方向)的平動和沿z軸方向(船高方向)的升沉運動,橫搖、縱搖、艏搖分別指繞x軸、y軸的擺動和繞z軸的轉(zhuǎn)動。

模擬共考慮了5種工況,除上述作業(yè)工況、自存工況、極限工況外,對于作業(yè)和自存工況下4號系泊纜突然斷裂的2種破損工況也進行了計算。

3 模擬結(jié)果分析

用AQWA進行時域分析時,平臺視為剛體,模擬了平臺6個自由度歷時1 000 s的運動響應(yīng),截取了包含斷裂瞬間的時域曲線進行分析。通過對比平臺在5種工況下遭遇3個浪向角風浪時的橫蕩、縱蕩、艏搖響應(yīng)幅值,得出平臺作業(yè)與自存時最危險的浪向角和在破損工況下平臺應(yīng)采取的規(guī)避行為。5種工況下平臺的橫蕩、縱蕩、艏搖響應(yīng)幅值如圖2～圖10所示。

(1) 對比完整和破損作業(yè)工況下平臺的運動響應(yīng)幅值可以發(fā)現(xiàn),系泊纜斷裂瞬間(300 s),縱蕩在橫浪時達到完整作業(yè)工況的5～6倍,橫蕩在迎浪時達到完整作業(yè)工況的2～3倍,艏搖在橫浪和迎浪時都出現(xiàn)了震蕩,是完整作業(yè)工況的2～3倍。上述結(jié)果說明平臺在作業(yè)時如果出現(xiàn)系泊纜斷裂,要注意規(guī)避迎浪和橫浪。

(2) 對比完整與破損自存工況下平臺的運動響應(yīng)幅值可以發(fā)現(xiàn),系泊纜斷裂瞬間,艏搖在迎浪時達到完整自存工況的6～7倍,縱蕩和艏搖在橫浪時達到完整自存工況的4～5倍。這說明平臺在自存過程中如果有系泊纜斷裂,艏搖運動是威脅平臺穩(wěn)定性的重要因素。另外,同樣要注意規(guī)避迎浪和橫浪。

(3) 對比極限和其他工況下平臺的響應(yīng)幅值可以得到,遭遇迎浪時,縱蕩最大達到自存工況的3倍(作業(yè)工況的35倍),橫蕩最大達到自存工況的10倍(作業(yè)工況的200倍),艏搖最大達到自存工況的10倍(作業(yè)工況的60倍);遭遇艏斜浪時,縱蕩最大達到自存工況的3倍(作業(yè)工況的32倍),橫蕩最大達到自存工況的3倍(作業(yè)工況的50倍),艏搖最大達到自存工況的2倍(作業(yè)工況的12倍);遭遇橫浪時,縱蕩比自存工況下大1個量級(比作業(yè)工況下大2個量級),橫蕩和艏搖與自存工況下在1個量級(比作業(yè)工況下大1個量級)。

圖2 0°時縱蕩響應(yīng)幅值 圖3 0°時橫蕩響應(yīng)幅值

圖4 0°時艏搖響應(yīng)幅值 圖5 45°時艏搖響應(yīng)幅值

圖6 45°時縱蕩響應(yīng)幅值 圖7 45°時橫蕩響應(yīng)幅值

圖8 90°時縱蕩響應(yīng)幅值 圖9 90°時橫蕩響應(yīng)幅值

圖10 90°時艏搖搖響應(yīng)幅值

(4) 觀察平臺在作業(yè)和自存工況下縱蕩和橫蕩響應(yīng)幅值可以發(fā)現(xiàn),迎浪和艏斜浪時縱蕩大于橫蕩,橫浪時縱蕩小于橫蕩,說明平臺在作業(yè)和自存過程中,迎浪和艏斜浪時,要注意船長方向的運動對平臺穩(wěn)定性的影響,橫浪時要注意船寬方向的運動對平臺穩(wěn)定性的影響。

(5) 平臺的艏搖響應(yīng)幅值在艏斜浪時最大,在橫浪時最小。

迎浪、艏斜浪、橫浪時5種工況下發(fā)電平臺響應(yīng)幅值的最大值分別見表1～表3所列。

分析表1～表3的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):

(1) 響應(yīng)幅值的最大值,縱蕩、艏搖、橫蕩分別在迎浪、艏斜浪和橫浪時最大。

(2) 迎浪和橫浪時,計算完整和破損2種工況下平臺響應(yīng)幅值的最大值比值,艏搖顯著大于縱蕩、橫蕩,因此在作業(yè)和自存過程中,若有系泊纜斷裂,則要特別關(guān)注平臺的艏搖運動。

(3) 平臺在完整作業(yè)工況、破損作業(yè)工況、完整自存工況、破損自存工況下的運動響應(yīng)幅值都能滿足文獻[16]規(guī)定,說明此種系泊纜布置方案是合理的。

表1 迎浪時5種工況下發(fā)電平臺響應(yīng)幅值的最大值

表2 艏斜浪時5種工況下發(fā)電平臺響應(yīng)幅值的最大值

表3 橫浪時5種工況下發(fā)電平臺響應(yīng)幅值的最大值

4 結(jié) 論

(1) 從系泊纜斷裂瞬間完整與破損工況的對比分析可以發(fā)現(xiàn),橫浪和迎浪對平臺穩(wěn)定性的影響最大。

(2) 通過對比不同工況下3個自由度的運動響應(yīng)幅值可以得到,艏搖運動對平臺穩(wěn)定性的威脅相對較大。

(3) 將5種工況下平臺遭遇橫浪、迎浪、艏斜浪時響應(yīng)幅值的最大值與規(guī)范規(guī)定值進行比較可以發(fā)現(xiàn),能夠滿足規(guī)范規(guī)定,因此該種系泊纜布置方案是合理的。

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(責任編輯 張淑艷)

platform by using AQWA software

CAO Mengmeng, WU Xutao, ZHU Haifeng

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Hydrodynamic software AQWA is applied to researching the stability of floating power platform under the combined load of random wave, wind and flow, and the platform’s surge,sway and yaw motion response amplitudes when encountering head sea(0° wave direction angle), bow sea(45°wave direction angle) and beam sea(90° wave direction angle) under five kinds of sea conditions are analyzed. The motion response amplitudes under the damaged working condition(the working condition with a mooring line breakage) and the integrated working condition(the working condition without mooring line breakage) are compared. The result indicates that the maximum value of platform’s yaw, surge and sway motion response amplitude respectively occurs in encountering bow sea, head sea and beam sea. At the broken moment of mooring line, the platform’s all directions motion response amplitudes greatly increase, thereinto the yaw motion response amplitude under the damaged self-existence working condition is 6-7 times of that under the integrated self-existence working condition.

floating power platform; AQWA software; stability; motion response amplitude

2015-09-03；

2015-10-29

海洋可再生能源專項資金資助項目(GHME2013JS03)

曹猛猛(1989-),男,安徽宿州人,合肥工業(yè)大學碩士生; 巫緒濤(1971-),男,安徽合肥人,博士,合肥工業(yè)大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.015

TV139.29

A

1003-5060(2017)04-0506-06