漂浮式潮流电站载体水动力性能分析

陈浩，张亮

哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001

漂浮式潮流电站载体水动力性能分析

陈浩，张亮

哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001

基于三维势流理论，在频域范围内，采用DNV船级社的SESAM软件系统，对某漂浮式潮流电站进行了水动力性能分析。通过分析，得出了横摇、纵摇、垂荡等响应变量的传递函数；结合载体实际工作时所处的海况，得出响应谱，并对其耐波性进行短期预报。计算结果表明，载体在横浪下垂荡和横摇较剧烈，各个浪向角下纵摇较接近。

漂浮式潮流电站；水动力性能；传递函数；响应谱；短期预报

潮流电站载体可分为漂浮式、桩柱式和座底式。漂浮式潮流电站载体相较于桩柱式和座底式甲板面积较大，便于人员作业，并且可以直接拖回岸上维修，适应深水海况；若水深大于40 m，海底为岩石，座海底式或桩柱式载体则无法满足要求[3]。

水动力分析的目的是研究载体在海浪中的动态响应。按照St．Denis和Pierson理论[4]，载体在海浪中的响应是线性的，可用谱密度来描述其随机性。所以，载体在随机不规则波中的响应谱可由单位波幅波中的响应(传递函数)和海浪谱来确定。由此可知，载体在规则波中响应的分析是它在随机不规则海浪中响应分析的基础。文中基于这一思想，利用势流理论，采用SESAM软件对某200 kW潮流电站载体的水动力性能进行计算，为潮流电站浮式载体的选型提供了参考。

1 理论基础

文中首先通过水动力计算，得到载体六自由度运动变量的传递函数[5]。进而结合海浪谱，得到各变量的响应谱，对响应谱进行统计分析，得到响应值。

1.1 传递函数

通过水动力计算可以得到附加质量、附加阻尼、回复力以及波浪力等信息，将这些数值代入如下六自由度运动方程式中进行求解，可以得到载体在规则波中的运动响应。

式中：Mjk为广义质量矩阵项，Ajk、Bjk、Cjk分别为由第k个自由度的运动引起的第j个自由度的附加质量系数、附加阻尼系数、回复力系数，统称为水动力系数；Fj为船体在第j个自由度方向所受的波浪力，包括Froude-Krylov力和绕射力；kη、kη˙、kη˙˙分别为第k个自由度运动的位移、速度和加速度；eω为遭遇频率，它与波浪频率ω有如下关系：

式中：V为航速，g为重力加速度，β为浪向角，文中载体无航速，故eω=ω。

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由载体在规则波中的运动响应可以得到载体与波浪之间的传递函数，传递函数又称响应幅值算子[6](response amplitude operator, RAO)，是用来描述载体在波浪中响应的一种重要数。传递函数均以无量纲形式给出。其中，平动(即纵荡、横荡、垂荡)传递函数以规则波波幅无因次化，转动(即横摇、纵摇、艏摇)传递函数以波陡无因次化。以垂荡和横摇为例，无因次化过程如下：

式中：f(RAOz)、f(RAOϕ)分别为垂荡和横摇的传递函数；z0、ϕ0分别为垂荡和横摇的运动幅值；k为波数，ζ0为波幅。

1.2 波浪谱和响应谱

波浪谱密度函数是平稳随机过程的频率描述，它表示不规则波浪的能量相对于频率的分布，所以又称为能量谱[7]。目前在国际上广泛采用的波浪谱有P-M谱和JONSWAP谱，其中JONSWAP谱形状陡而尖，适用于风区受限海域；而P-M谱则适用于充分发展的海域。对海区波浪参数进行分析之后，决定采用IACS推荐的P-M双参数（有义波高Hs，过零周期Tz）波浪谱。

对于电站载体等线性系统，其响应谱等于波浪谱乘以系统的传递函的模f2(RAO)，即

2 建模

文中以某200 kW潮流电站载体为研究对象，使用DNV开发的软件SESAM计算和分析其水动力性能。本次数值模拟用到的是其GeniE建模模块及HydroD水动力计算模块，在HydroD中调用WADAM程序计算，POSTRESP进行结果分析。GeniE用于建立载体的流体动力模型，生成输入接口文件T1．FEM；WADAM基于三维势流理论，调用T1．FEM文件，计算此船的运动响应；Postresp用于显示计算结果、谱分析等[8]。

电站载体主尺度 ：总长35 m，设计水线长5 m，宽度17 m，型深3 m，设计吃水1 m。

采用右手坐标系，X轴为中纵剖面与基平面交线且指向船首，Y轴指向左舷，Z轴向上，原点为中站面、中纵剖面和基平面的交点。利用船体的对称性，采用二分之一模型（左舷），如图l所示。

图1 载体湿表面模型

将T1．FEM文件导入HydroD中，如图2。HydroD设置水深为40 m，波浪频率范围取：0.1～2.0rad/s；由于船体左右对称，浪向范围取：0～180°，间隔45°。定义迎浪时β=180°，左舷横浪时β=90°，随浪时β=0°。

图2 载体水动力模型

3 计算结果及分析

从POSTRESP中提取计算数据，得到理想流体中载体在单位规则波下水动力响应；载体工作海区典型有义波高Hs=2 m，Tz=5 s，使用PM谱模拟海况得到运动响应谱，并作短期预报。

3.1 运动响应传递函数

从图3～5曲线可以看出：1）当ω无限小，即波长λ无限长时，载体近似认为是水中一质点，其运动可描述为“随波逐流” ；当ω无限大，即波长λ无限短时，水面可近似认为不动，载体基本无运动响应；计算结果符合一般规律。2）波长与载体总长比(λ/L)对垂荡和纵摇影响很大，一般其幅频响应曲线峰值发生在1＜λ/L＜2.5范围内；在零航速时峰值偏向低频区，离载体固有周期较远，相对安全。由图3、4可以看出垂荡峰值出现在0.3 rad/s＜ω＜0.7 rad/s范围内，纵摇峰值在1 rad/s＜ω＜1.2 rad/s，都在低频区；也与1＜λ/L＜2.5这一规律相吻合。各个浪向角下的纵摇响应相近，单位波幅下纵摇角不超过5°。3）对于横摇运动，当1.5 rad/s＜ω＜1.7 rad/s时，横摇幅值比较大；浪向角 90°时出现最大值，此时载体处于共振区。但浪向角在±45°范围内，横摇运动较平稳，单位波幅下横摇角不超过8°。4）若拖航时控制载体和浪向的夹角范围在±20°范围内，各个响应值均比较小，运动趋于安全[9]。

图3 垂荡响应传递函数

图4 纵摇响应传递函数

图5横摇响应传递函数

从以上分析可见，此载体运动响应符合一般船舶运动规律。故文中采用的研究方法可行，计算结果可信。现列出单位波幅下各个响应的最不利海况及最大幅值，如表l所示。

表1 载体最不利海况及传递函数最大幅值

3.2 运动响应统计特征

船舶运动响应谱曲线如图6～8所示。

图6 垂荡响应谱

图7 纵摇响应谱

图8 横摇响应谱

由响应谱统计值可得此海况(Hs=2 m，Tz=5 s)持续3 h短期预报，统计结果如表2所示。从表2可以看出：垂荡和横摇在横浪时响应最大，可能最大幅值分别达3.392 m和0.434 rad，应尽量避开横浪的情况。纵摇在各个浪向角下的有义值和可能最大值较相近，且数值较大，可见载体的纵摇是比较剧烈的。

表2 3h短期预报

3.3 长期预报

长期预报的时间通常为数年或全寿命周期，载荷和海况是变化的。根据微分思想，可以将许多短期预报有序组合起来做长期预报。用于长期预报的波浪散布图选自《西北太平洋波浪统计集》[10]的Y1区块（纬度：35°～37.5°～40°N，经度：119.2°～122°～127°E），如图9所示。Y1区块中每个短期海况用P-M谱模拟，长期分布应用两参数Weibull模型拟合。

图9 西北太平洋海域区块划分

表3 载运动响应长期预报

表3给出了10年重现期，20年重现期，30年重现期及50年重现期预报极值。

4 结束语

文中基于三维势流理论，对某潮流电站的垂荡、纵摇和横摇响应作了分析和短期预报。结果表明：载体在有义波高为2 m，跨零周期为5 s的海况下一旦遭遇横浪作用，垂荡和横摇幅值比较大，此时非常危险，应加以防护。在设计时，应充分考虑载体的水动力响应特性，可使其6个自由度的运动向高频和低频偏移，避开波浪能量集中的频率范围，使驳船具有较小的波浪响应。

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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.

国家科技支撑计划资助项目（2008BAA15B04）.

陈浩（1986-）, 男, 硕士研究生;张亮（1959-）, 男, 教授, 博士.

陈浩, E-mail: 543481013.qq.com.