基于AQWA的潮流能发电平台稳定性研究

曹猛猛, 巫绪涛, 朱海峰

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

基于AQWA的潮流能发电平台稳定性研究

曹猛猛, 巫绪涛, 朱海峰

(合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

文章应用水动力学软件AQWA对在随机波浪荷载和风、流荷载联合作用下的浮动式发电平台的稳定性进行研究,分析了5种工况下该平台遭遇迎浪(0°浪向角)、艏斜浪(45°浪向角)、横浪(90°浪向角)时的横荡、纵荡、艏摇运动响应幅值,比较了该平台在破损工况(有系泊缆断裂工况)和完整工况(无系泊缆断裂工况)下的运动响应幅值。结果表明:平台的艏摇、横荡和纵荡运动响应的最大值分别发生在遭遇艏斜浪、迎浪和横浪时;在系泊缆断裂瞬间该平台所有方向运动响应均有大幅增加,其中破损自存工况下艏摇运动响应幅值是完整工况下的6～7倍。

浮动式发电平台;AQWA软件;稳定性;运动响应幅值

Stability analysis of tide power generation

面对日趋紧张的能源需求,加强对海洋资源的开发利用已成为当务之急,浮动式海洋平台的运用也日益广泛。相对于其他形式的海洋平台,浮动式海洋平台把设备安装在船体上,靠锚系或动力定位,在漂浮状态下作业。平台的结构形式简单,安装方便,并可在几十米至上千米水深的海域工作。但浮动式海洋平台受风浪载荷影响较大,较大的运动响应会干扰设备、人员的正常工作。因此,为了保证海洋平台的正常作业和安全性,确定海洋环境载荷作用下平台的运动响应、系泊缆张力和结构强度非常重要。

目前对海洋平台的相关研究包括稳定性、系泊缆布置方案及系泊缆强度分析、网格尺寸的影响等。文献[1]针对港口内靠码头系泊船波浪力的时域计算提出了一种耦合数值方法;文献[2]通过在时域内计算泊船的运动响应,引入了船体阻尼系数在低频时的迭代算法,并且将计算结果与试验结果进行了比对;文献[3]分析了网格尺寸对结构水动力特性计算结果的影响,结果表明网格尺寸对结构附加质量、附加阻尼有一定影响,对波激力和结构的幅值响应算子影响不大;文献[4]使用7种不同数值软件,运用辐射/衍射理论对浮体的运动状况和系泊系统进行了分析,并比较了7种不同软件的计算结果;文献[5]运用有限元软件对海洋平台进行仿真分析,研究了在平台上安装阻尼装置后海洋平台的响应,结果显示阻尼器能够显著减小由波浪引起的结构振动;文献[6]应用计算流体力学技术对一自升式平台甲板上波浪情况进行了详细计算,结果显示Stokes五阶波理论能够对平台进行较好的设计和安全评估;文献[7]对风力涡轮发电机进行了实验结果和数值模拟结果比对,并通过比较横荡、垂荡、纵摇在不同时域、不同频域、不同风速及有义波高情况下的加速度响应谱,得出了风力涡轮发电机的最佳作业工况;文献[8]基于势流理论对船舶横摇运动姿态的波浪增阻进行了分析,给出了解析表达式,并将波浪增阻理论值与仿真值对比,验证了模型分析法的可行性;文献[9]应用三维势流理论和波浪的辐射/衍射理论分析了蝶形越浪式波能发电装置在规则波作用下6个自由度上运动的响应幅值算子,并考虑不规则波情况下风、浪、流共同的作用,对装置在工作海况和恶劣海况下的运动响应进行数值模拟分析,得到了装置的时间历程结果;文献[10]针对浮动平台在波浪中的辐射力提出了一种新的算法——递归运算,在每个时间步可以自动重新计算;文献[11]对Spar-type离岸风力涡轮机的浮子结构动态响应、悬链线系泊缆的总长度和连接位置进行了分析研究,得到了结构动态响应的起因和适当的系泊缆长度及连接位置。上述研究成果中,大多是有关水动力特性的频域分析,关于平台稳定性的时域分析很少。

本文结合水动力学软件AQWA,并参考文献[12]中提及的流固耦合方法,分析了浮动发电平台在完整作业工况、破损作业工况、完整自存工况、破损自存工况和极限工况下的运动响应幅值,得出平台的稳定性情况;将平台在5种工况下遭遇3个角度风浪时的运动响应幅值进行比较,得出威胁平台稳定性的浪向角,为实际应用中处于不同海况下发电平台的稳定性提供参考。

1 计算理论基础

当系统简化成线性系统,入射荷载仅包含一阶项时,运动方程可以利用频域分析理论来求解。但是如果考虑二阶波浪荷载、非线性黏性阻尼和风、流引起的力及力矩等包含非线性项的外界荷载时,频域方法不再适用,需要在时域内求解含有非线性项的运动方程[13]：

Fsv+Fc+Fw+FT+Fh+Fd

(1)

其中,x(t)为包含位移和转角的广义位移矢量;Ms为结构的质量和转动惯量矩阵;Md为漂移频率下结构的附加质量和转动惯量矩阵;Fsv为慢漂力列阵;Fc为广义流荷载列阵(包括纵向流力Fcx、横向流力Fcy和艏摇流力矩Mcxy);Fw为风荷载列阵(包括纵向风力Fwx、横向风力Fwy和绕垂向轴的艏摇风力矩Mwxy);FT为系泊力列阵;Fh为静水压力列阵;Fd为阻尼力列阵。通常认为在系统计算过程中,低频附加质量和转动惯量、阻尼力为常数。

t时刻的慢漂力Fsv(t)的表达式为：

(εi-εj)]}

(2)

Fh是指当平台固定不动时,作用在平台上的流体静压力,其在t时刻的向量表达式为：

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

(3)

其中,B为结构平衡时的浮力;K为结构平衡位置的刚度矩阵;xz为重心位置矢量;xe(t)为t时刻结构的位置矢量。

已知风速时,平台受到的风荷载[14]为:

(4)

其中,ρw为空气密度,气温20 ℃时,ρw=1.224 kg/m3;vw为海平面以上10 m处的风速;AT、AL分别为艏向和侧向受风面积;Lpp为垂线间长;Cwx、Cwy、Cwxy分别为纵向、横向风力系数和艏摇风力矩系数,根据模型试验得到。

已知流速时,平台受到的流力荷载[14]为:

(5)

其中,ρc为海水密度,ρc=1.025×103kg/m3;vc为平均流速;H为船体吃水高度;Ccx、Ccy、Ccxy分别为纵向、横向流力系数和艏摇流力矩系数,一般也根据模型试验得到。

单根系泊缆产生的非线性系泊力[15]可以表示为:

(6)

其中,sm为系泊缆轴线方向的位移;k为系泊缆线性刚度;γ为系泊缆的非线性刚度。系泊力FT为所有系泊缆张力Tl之和。

2 平台有限元模型及环境荷载参数

该浮动发电平台主要结构包括船体、浮漂、导流罩和叶片、栏杆、吊杆及楼梯,主要结构参数如下:总长10.00 m,总宽9.40 m,总深1.50 m,吃水1.00 m,总重20 kN。

平台采用四脚锚固方案,并通过浮筒与海底和平台链接,可以减小系泊缆自重对平台稳定性的影响,同时也可以减少系泊缆对平台的拖拽力。采用整体建模方法建立有限元模型,如图1所示。

图1 有限元模型网格划分

设置浮心与重心重合,细长管状结构(如栏杆等)采用pipe59管单元,其余如甲板、浮筒等结构采用shell63面单元。由于AQWA要求1个波长至少要覆盖7个最大单元尺寸,水面下绕射单元网格的最大尺寸由最大波浪频率控制。综合考虑计算精度及耗时,设定其尺寸为0.3 m。在ANSYS中建模后通过anstoaqwa转换宏将模型的节点和单元信息导入AQWA的LINE文件,由AQWA计算出平台所受的一阶波浪力以及 (2) 式与(3) 式中的慢漂力和静水压力等。进行时域分析时通过编辑DRIFT文件,利用 (4) 式、(5) 式计算出风、流荷载,并调用LINE文件的计算结果,最终得到平台的非线性系泊力和时域响应。

平台所在海域的主要环境参数如下:

(1) 海流在作业工况、自存工况、极限工况下的流速分别为2.0、4.0、5.0 m/s,流向取0°、45°、90°。

(2) 在作业工况、自存工况、极限工况下的海风风速分别为11.0、17.2、33.0 m/s,风级分别为4～5、7～8、12级,风谱为API谱,风向取0°、45°、90°。

(3) 在作业工况、自存工况、极限工况下海浪的有义波高分别为0.40、4.00、12.21 m,平均波周期分别为4.00、8.00、11.85 s,波谱为Pieron-Moskowitz谱,波向取0°、45°、90°。

停泊在海上的大型浮体结构,由于其质量大且系泊缆柔软,在水平面上会发生周期性的震荡运动。其中横荡、纵荡、垂荡分别指沿x轴方向(船首到船尾方向)、y轴方向(船宽方向)的平动和沿z轴方向(船高方向)的升沉运动,横摇、纵摇、艏摇分别指绕x轴、y轴的摆动和绕z轴的转动。

模拟共考虑了5种工况,除上述作业工况、自存工况、极限工况外,对于作业和自存工况下4号系泊缆突然断裂的2种破损工况也进行了计算。

3 模拟结果分析

用AQWA进行时域分析时,平台视为刚体,模拟了平台6个自由度历时1 000 s的运动响应,截取了包含断裂瞬间的时域曲线进行分析。通过对比平台在5种工况下遭遇3个浪向角风浪时的横荡、纵荡、艏摇响应幅值,得出平台作业与自存时最危险的浪向角和在破损工况下平台应采取的规避行为。5种工况下平台的横荡、纵荡、艏摇响应幅值如图2～图10所示。

(1) 对比完整和破损作业工况下平台的运动响应幅值可以发现,系泊缆断裂瞬间(300 s),纵荡在横浪时达到完整作业工况的5～6倍,横荡在迎浪时达到完整作业工况的2～3倍,艏摇在横浪和迎浪时都出现了震荡,是完整作业工况的2～3倍。上述结果说明平台在作业时如果出现系泊缆断裂,要注意规避迎浪和横浪。

(2) 对比完整与破损自存工况下平台的运动响应幅值可以发现,系泊缆断裂瞬间,艏摇在迎浪时达到完整自存工况的6～7倍,纵荡和艏摇在横浪时达到完整自存工况的4～5倍。这说明平台在自存过程中如果有系泊缆断裂,艏摇运动是威胁平台稳定性的重要因素。另外,同样要注意规避迎浪和横浪。

(3) 对比极限和其他工况下平台的响应幅值可以得到,遭遇迎浪时,纵荡最大达到自存工况的3倍(作业工况的35倍),横荡最大达到自存工况的10倍(作业工况的200倍),艏摇最大达到自存工况的10倍(作业工况的60倍);遭遇艏斜浪时,纵荡最大达到自存工况的3倍(作业工况的32倍),横荡最大达到自存工况的3倍(作业工况的50倍),艏摇最大达到自存工况的2倍(作业工况的12倍);遭遇横浪时,纵荡比自存工况下大1个量级(比作业工况下大2个量级),横荡和艏摇与自存工况下在1个量级(比作业工况下大1个量级)。

图2 0°时纵荡响应幅值 图3 0°时横荡响应幅值

图4 0°时艏摇响应幅值 图5 45°时艏摇响应幅值

图6 45°时纵荡响应幅值 图7 45°时横荡响应幅值

图8 90°时纵荡响应幅值 图9 90°时横荡响应幅值

图10 90°时艏摇摇响应幅值

(4) 观察平台在作业和自存工况下纵荡和横荡响应幅值可以发现,迎浪和艏斜浪时纵荡大于横荡,横浪时纵荡小于横荡,说明平台在作业和自存过程中,迎浪和艏斜浪时,要注意船长方向的运动对平台稳定性的影响,横浪时要注意船宽方向的运动对平台稳定性的影响。

(5) 平台的艏摇响应幅值在艏斜浪时最大,在横浪时最小。

迎浪、艏斜浪、横浪时5种工况下发电平台响应幅值的最大值分别见表1～表3所列。

分析表1～表3的数据可以发现:

(1) 响应幅值的最大值,纵荡、艏摇、横荡分别在迎浪、艏斜浪和横浪时最大。

(2) 迎浪和横浪时,计算完整和破损2种工况下平台响应幅值的最大值比值,艏摇显著大于纵荡、横荡,因此在作业和自存过程中,若有系泊缆断裂,则要特别关注平台的艏摇运动。

(3) 平台在完整作业工况、破损作业工况、完整自存工况、破损自存工况下的运动响应幅值都能满足文献[16]规定,说明此种系泊缆布置方案是合理的。

表1 迎浪时5种工况下发电平台响应幅值的最大值

表2 艏斜浪时5种工况下发电平台响应幅值的最大值

表3 横浪时5种工况下发电平台响应幅值的最大值

4 结 论

(1) 从系泊缆断裂瞬间完整与破损工况的对比分析可以发现,横浪和迎浪对平台稳定性的影响最大。

(2) 通过对比不同工况下3个自由度的运动响应幅值可以得到,艏摇运动对平台稳定性的威胁相对较大。

(3) 将5种工况下平台遭遇横浪、迎浪、艏斜浪时响应幅值的最大值与规范规定值进行比较可以发现,能够满足规范规定,因此该种系泊缆布置方案是合理的。

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(责任编辑 张淑艳)

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

海洋可再生能源专项资金资助项目(GHME2013JS03)

曹猛猛(1989-),男,安徽宿州人,合肥工业大学硕士生; 巫绪涛(1971-),男,安徽合肥人,博士,合肥工业大学副教授,硕士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.015

TV139.29

A

1003-5060(2017)04-0506-06