張 馳，李俊來，謝永和

（浙江海洋大學(xué)船舶與機電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

為了能夠高效的開發(fā)利用海上風(fēng)能，研究浮式風(fēng)電平臺迫在眉睫。浮式風(fēng)電平臺在作業(yè)時，會面對極其復(fù)雜的海況[1]，因此需要對波浪作用下浮式風(fēng)電平臺的運動響應(yīng)問題做研究。

張文旭等[2]研究波浪方向和聚焦位置的變化對平臺運動響應(yīng)和系泊纜張力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)平臺響應(yīng)受畸形波的聚焦位置影響顯著，橫搖、縱搖響應(yīng)和系泊纜受力隨浪向角的改變成規(guī)律性變化，垂蕩運動則對浪向角的改變不敏感；劉美妍等[3]對半潛式風(fēng)電平臺的運動特性進行研究，分析粘性阻尼對半潛式平臺運動響應(yīng)的影響，對平臺結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；董曉曼等[4]通過渦激的運動機理、運動特性結(jié)合拖曳試驗對南海張力退平臺進行研究，發(fā)現(xiàn)當流向與張力腿平臺垂直時會發(fā)生最大渦激運動響應(yīng)，并且確定了運動最明顯的大概位置。

波浪作用下的浮式風(fēng)電平臺會產(chǎn)生較為明顯的運動響應(yīng)[5-8]，其運動響應(yīng)對波浪參數(shù)變化較為敏感[12-14]。為研究這個問題，在水動力試驗時進行水池試驗，研究浮式風(fēng)電平臺在不同波浪波長、波高情況下的運動響應(yīng)規(guī)律，為相關(guān)研究提供相應(yīng)的參考。

1 試驗?zāi)Ｐ徒榻B

根據(jù)流體力學(xué)相似理論，進行水池試驗時，模型與實體應(yīng)該滿足幾何相似，運動相似以及動力相似[8-11]，本文研究的是浮式風(fēng)電平臺在農(nóng)浪作用下的運動響應(yīng)問題，因此在相似問題上僅僅考慮幾何相似。選取1:50作為縮尺比制作模型進行試驗,整個風(fēng)機平臺試驗?zāi)Ｐ陀娠L(fēng)機模型與平臺模型兩部分構(gòu)成，模型的主要參數(shù)見表1～2，模型結(jié)果如圖3。

圖1 模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Model structure

表1 風(fēng)機模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of fan model

表2 浮式風(fēng)電平臺模型主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of floating wind power platform model

對模型結(jié)構(gòu)進行調(diào)試檢查之后，將風(fēng)機模型通過螺栓與平臺模型緊緊地連接起來，防止在試驗過程中由于整個結(jié)構(gòu)的晃動造成風(fēng)機模型的脫落，影響整個試驗的進程。

將試驗?zāi)Ｐ头湃氲剿刂?，為調(diào)整整個模型結(jié)構(gòu)的重量以及重心高度給3個浮桶內(nèi)施加等量的砝碼塊進行壓載。在每個浮桶中加入40 kg的砝碼塊后，模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，此時吃水為500 mm。

2 試驗環(huán)境與測量設(shè)備

2.1 試驗環(huán)境

試驗在浙江海洋大學(xué)水動力實驗室中進行，表3為水池主尺度，如圖2所示。

表3 水池主尺度Tab.3 Main scale of pool

2.2 測量設(shè)備

所需要使用到的儀器設(shè)備見表4。

表4 相關(guān)設(shè)備Tab.4 The related equipment

圖2 拖曳水池Fig.2 Towing tank

圖3 傾角傳感器Fig.3 Tension sensor

圖4 拉力傳感器Fig.4 Dip sensor

3 試驗方案

本文試驗主要研究的是系泊狀態(tài)下的浮式風(fēng)電平臺模型在規(guī)則波下的運動響應(yīng)狀況。

3.1 系泊模型模擬

將五個砝碼塊綁在一起代替系泊點，在系泊點上設(shè)置一個可變向的滑輪，將系泊纜一段穿過滑輪從水中拉出去，并將拉力傳感器接上，之后牽引到拖車欄桿上系緊，系泊纜另一端穿過滑輪與浮桶底部連接，按這個方法布置3根系泊纜,在1號浮桶上面布置兩個運動傳感器用于測量風(fēng)電平臺模型的縱蕩加速度和垂蕩加速度，在風(fēng)機頂部布置一個傾角傳感器用于測量模型平臺的縱搖角，如圖5～6所示。

圖5 系泊模型Fig.5 Mooring model

圖6 調(diào)試好的試驗?zāi)Ｐ虵ig.6 Tested model

3.2 環(huán)境載荷模擬

本文水池試驗主要針對的是波浪載荷的模擬。試驗測量不用波浪下風(fēng)機平臺模型的運動響應(yīng)狀況，從波高和波長兩個方面開展研究。采用PM譜，公式如式1所示：

式中：

θ—組合波與主浪向的夾角，單位rad；

T2—海浪跨零周期，單位s；

ω—波浪圓頻率，單位rad/s。

3.3 試驗工況的設(shè)置

據(jù)模型的主尺度的型長作為一個中間波長，取2.1 m，此等差數(shù)列前后再取兩個值，波高取6～14 cm，步長2 cm，見表5。

表5 波浪參數(shù)Tab.5 The wave parameters

4 分析與結(jié)論

4.1 運動加速度結(jié)果分析

通過運動傳感器采集到的縱蕩和垂蕩加速度以及縱搖的角度，研究規(guī)則波作用下，波高，波長對風(fēng)電平臺模型運動響應(yīng)的影響，結(jié)果見表6～9。

表6 測試結(jié)果Tab.6 Test results

表7 測試結(jié)果Tab.7 Test results

表8 測試結(jié)果Tab.8 Test results

表9 測試結(jié)果Tab.9 Test results

4.1.1 不同波長規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺運動響應(yīng)規(guī)律分析

將表7和表9中的結(jié)果整理成折線圖，研究不同波長規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺模型的運動響應(yīng)規(guī)律，如圖7～9所示。

圖7 縱蕩規(guī)律圖Fig.7 Surge

圖8 垂蕩Fig.8 Heave

圖9 縱搖Fig.9 Pitch

從圖7～9可以看出：

（1）不用波長規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺模型縱蕩運動比其垂蕩運動劇烈，縱搖運動很小，接近1°；

（2）規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺模型縱蕩運動趨勢隨著博康波長的增加而減緩；

（3）規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺模型垂蕩運動趨勢隨著博康波長的增加而增強；

（4）規(guī)則波作用下，波高一定時，波長在1.26～1.68 m內(nèi)，縱搖角度逐漸增大，波長在1.68～2.52 m的范圍內(nèi)，縱搖角度開始慢慢減小，當波長大于2.52 m時，縱搖角度開始變大。

4.1.2 不同波長規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺運動響應(yīng)規(guī)律分析

將表8和表9中的結(jié)果整理成折線圖，研究不同波長規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺模型的運動響應(yīng)規(guī)律，如圖10～12所示。

圖10 縱蕩Fig.10 Surge

圖11 垂蕩Fig.11 Heave

圖12 縱搖Fig.12 Pitch

從圖10～12可以看出：

（1）不用波長規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺模型縱蕩運動比其垂蕩運動劇烈，縱搖運動很小，接近1°；

（2）規(guī)則波作用下波浪波高對浮式風(fēng)電平臺的運動響應(yīng)作用比較明顯，隨著波浪波高的增加，其各個方向的運動趨勢都在增強。

4.2 結(jié)論

根據(jù)上節(jié)中對實驗結(jié)果的分析可得出以下結(jié)論：

（1）波浪波高對浮式樣風(fēng)電平臺的運動響應(yīng)的規(guī)律較為明顯，其運動響應(yīng)隨著波高波高的變化而加強，在選擇作業(yè)海域時，可以選擇波浪稍微平緩的海域；

（2）波浪作用下，浮式風(fēng)電平臺模型的縱蕩運動最為明顯，有必要對其系泊結(jié)構(gòu)進行加強。