一种浮式潮流能水轮机载荷试验模拟方法

李广年，韩 健

（1．宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315211；2．上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

试验技术是科学研究以及工程应用中一种必要的过程，新理论需要试验结果做支撑。随着计算机软硬件技术的进步，数值模拟也为工程应用及科学研究提供了有效的技术支持，但是数值模拟的发展也需要以试验结果作为验证。此外，限于目前的条件，数值技术还不能模拟很多复杂的工程问题。因此，无论是理论创新还是数值模拟的发展，都离不开模型试验技术。

浮式潮流能电站作为竖轴水轮机阵的载体漂浮在海洋中，同时受到浪流耦合力、水轮机转动产生的周期性载荷、锚（系）泊力的作用，整个过程极其复杂，无论是数值分析还是模型试验，完全模拟整个过程都是非常困难的。针对固定式海洋结构物开展物理模型试验时，其动载荷加载相对简单，而对浮基式海洋结构模型施加动载荷相对困难。浮式潮流能水轮机载体锚泊在海洋潮流中，以其为研究对象开展模型试验时，水轮机载荷的施加成为难点之一。

类比于海上漂浮风机模型试验，旋转机械载荷模拟方法大概有3类：（1）等缩尺比制作模型，使用循环水槽或者拖曳水池等试验装置模拟潮流场[1-4]；（2）将水轮机、风机等效作为定常载荷[5]；（3）将旋转机械作用效果等效为旋转的圆盘（带圆孔）[6-8]。通常所说的物理模型水动力性能试验需同时满足3个相似条件：几何相似、运动相似、动力相似[9-10]。浮式潮流能电站利用海流发电是非常复杂的流体力学行为，动力相似难以在实验室内实现；纵然通过各种技术实现实物与模型的动力相似，而按缩尺比制作的竖轴水轮机试验模型，根据相似定律可知，该试验也无法满足介质相似，而且试验水轮机模型载荷与实际竖轴潮流能水轮机载荷按缩尺比得到的载荷也不同。即现有浮式潮流能载体水动力性能模型试验难以同时满足多个相似准则。

本文尝试采用“半耦合”的试验模式，将浮式载体缩小后的模型放入水池中，而将水轮机的载荷用某种动载荷代替加载到浮式载体上，从而实现浮式载体工作过程的试验模拟。考虑水轮机载荷低频率、相对小量级的特点，该方法基于水流喷射，利用水流反作用力模拟水轮机载荷。搭建了浮式潮流能载体水轮机载荷模拟试验平台，并开发了相应的测试技术，同时论证载荷模拟装置模拟的载荷在时域和频域上与模型试验所需水轮机载荷的对比一致性，期望为相关研究人员提供技术支持。

1 基本原理及试验方法

首先确定水轮机实体在海流中的载荷（暂时无法通过实测得到真实载荷，本文利用水池试验结果），其次由相似定律确定模型试验中水轮机载荷值，确定应用于水轮机模型试验的力载荷时程。控制水流喷射，通过基于喷射水流反作用力的替代方法对浮式载体模型进行力F和力矩M的模拟。通过水流控制系统控制管路喷水口水流量，标定控制系统信号与喷水反作用力之间的关系，进一步测量喷水反力作用下浮式载体所受到的作用力。根据若干次的试验分析测试获得动态耦合关系，从而确定基于喷水反作用力的动态加载模式，最终为浮式潮流能载体以及受力相似的海上浮式结构物水动力模型试验所用。

整个实验过程如图1所示，水泵为整个喷水系统供水，电脑根据预先设定的程序控制比例阀开度，从而控制喷口的水流量，多余的水从泄压口排出。为了减小通过比例阀的水压波动，在水泵和比例阀之间安装了一个蓄能气瓶，用以平稳水压。

图1 试验原理图

整个过程可分为三步：（1）标定，即确定水流控制参数与喷水反作用力的对应关系。标定过程中通过改变比例阀的控制电压值改变其开度，用以控制水流流量大小，同时测得不同电压（即不同水流流量）对应的喷水反作用力，从而建立水流流量控制参数与喷水反作用力关系。（2）确定输入信号。输入信号，即待模拟的动态载荷。本文中提到的这种浮式潮流能载体水轮机载荷模拟试验技术，假定实体水轮机载荷时程是已知的，可以是实测数据或者是软件模拟结果，但必须有一定的可信度。根据缩比尺换算，确定载荷模拟试验的载荷时程，并将载荷时程转变成模拟信号，作为整个模拟试验的输入信号。（3）输出信号测量，即测量喷水口的反作用力。由此前确定的输入信号通过电脑控制比例阀喷水，同步测量喷水口的反作用力。分析测量得到的反作用载荷时程频谱特性，并与输入信号对比。力矩的模拟可以通过两个单向力的乘积实现。同时启动两套水流喷射系统，用两个喷口的喷水反作用力模拟水轮机动态载荷中的力矩和力。采用力与力矩的关系式(1)，可以得出F1与F2两组力载荷时程。同时利用两个水流喷射装置，分别模拟这两个力时程，即能同时模拟水轮机载荷的一个力和力矩。

式中：d为两个测力点的距离。

根据实验要求自行配备了试验器材并进行组装调试，主要包括以下部件，试验仪器见图2。

图2 实验仪器

2 标定与分析

标定即是确定输入信号与喷射流反作用力之间的内在关系，确定比例阀电压值与反作用力之间的关系。进一步通过喷射水流反作用力与电压控制信号的比例关系，将待模拟载荷信号对应转换为电压控制信号。以电压信号控制比例阀喷水，同时测得反作用力时程，并与原信号比对，进一步修正反作用力与电压信号之间的拟合关系。

整个试验过程中，比例阀接受控制电压信号，控制喷水量，它自身的控制特性及对控制信号的频响特性是试验成功的关键所在。为了检验比例阀的控制特性，同时检验比例阀对控制电压信号的频响特性，试验过程中首先对比例阀开展动态测试。使用一系列频率不同的正弦波形电压信号和方波电压信号控制比例阀。测量电压信号和比例阀控制下的喷射流反作用力的变化情况。高压水泵将开源的水吸入管路，再由比例阀控制通过喷水口喷出，在这个过程中还有蓄能气瓶调节水压和流量。管路的压力直接与喷射水流的反作用力相关，试验过程中反复调节管路的水压力，以期获得比较好的试验结果，本文选取了两种不同的管路压力试验结果，分析管路压力对试验结果的影响。

试验过程中选取了多种频率的控制信号对比例阀控制及频响特性进行测试，本文此处所展示的数据中所有控制电压信号变化范围均为1．5～4．5 V。

图3为不同频率方波的模拟数据。3种相对较低频率控制电压信号的模拟结果良好，尽管模拟数据有“毛刺”现象，但整体上模拟数据的波形与控制信号的波形吻合较好，尤其是方波数据拐点处，喷水反作用力模拟系统也可以模拟出这种时域的数据突变。同时统计发现模拟数据信号较之控制信号有延后现象，由于是整体数据的延迟，并不影响实验结果的可信度。

图3 力时程测试值(方波信号)

图4为不同频率的正弦波形的模拟数据。较之于上文的方波，此处控制信号频率偏高，从数据结果看出，在10 Hz以下，控制信号与模拟数据波形比较吻合，当控制信号的波形大于10 Hz以后，模拟数据波形混乱，与控制信号差别较大，是因为整个喷水反作用测试装置的频率较低，无法满足控制信号高频需要的缘故。从模拟数据结果看，控制信号电压幅值相同的情况下（1．5～4．5 V），频率不同，模拟数据的幅值不一样，高频率时测得的幅值比较低，控制信号为5 Hz时测得模拟数据范围为[-3．2,1．4]，同样幅值的控制信号（1．5～4．5 V），在频率变为8 Hz时相应的幅值范围为 [-3．0,1．6]，当频率为10 Hz时相应的数据幅值范围是[-2．7,1．7]。在实际工程应用时应该对高频控制信号进行修正。

图4 力时程测试值(正弦信号：1．5～4．5 V)

喷水反作用力的大小主要取决于整个模拟系统管路内部的压力大小，根据理论分析，管路内部压力越大喷水反作用力的幅值越大。实验过程中也证明了这一点，图5分别为两种管路压力下的实验结果，一个是 0．6 MPa，另一个是 0．8 MPa。图中数据可见：管路高压力下模拟数据明显偏大，因此在工程应用过程中应该尽可能地增加模拟管路压力，这样可以有效地减小相对误差。

3 力信号模拟

通过以上分析可以看出，喷射流反作用力载荷模拟方法比较适用于低频动态载荷的模拟。竖轴潮流能水轮机载荷具有低频特性，幅值变化相对平稳，在采用水动力模型试验方法研究其对支撑载体的动力影响特性时，可以采用上文介绍的方法，用喷射流反作用力代替水轮机低频载荷。

图5 力时程测试值(正弦信号：1．5～4．5 V)

喷射流反作用力载荷模拟方法的前提是事先获得真实的待模拟载荷时程。由于竖轴海洋潮流能水轮机尚处于工程应用推广阶段，目前还没有开展水轮机载荷实测工作，也没有一套被业内认可的竖轴水轮机载荷数值预报方法。因此本文选用模型试验测试值作为真实的水轮机载荷，并考虑本次试验过程中喷射流反作用力的幅值范围以及试验中信号发生器的输入要求，对水轮机模型试验测试值进行缩放，得到控制电压信号，由控制电压信号控制比例阀开度，喷口喷射水流，同时测量喷射流反作用力时程。

待模拟数据来自竖轴水轮机模型试验测试值，选取其中两个时段经过缩放进行模拟。

图6给出的是两段待模拟的力信号；图7是设置对应的电压信号，特意将信号范围缩放在1．5～4．5 V之间；图8是对应信号的频谱特性；图9是测试得到的力时程信号；图10是测试得到的力时程能量谱及频域特性。对比图6与图9，可以发现待模拟信号与测试信号比较吻合；对比图8与图10，待模拟信号频谱特性与测试得到的力信号的频谱特性也比较相似，只是高频信号有损失。通过对比可知，待模拟信号与测试得到的力时程信号在时域、频域方面吻合都比较好。

图6 待模拟载荷时程

图7 转换后的电压信号

图8 待模拟载荷能量谱及频域特性

图9 测试得到的载荷时程

图10 测试得到的载荷时程能量谱及频域特性

4 结论

本文考虑潮流能水轮机模型试验中相似准则难以满足的问题，基于模型水轮机载荷的低频率、相对小量级的特点，提出一种新的方法模拟海洋潮流能水轮机载荷特性，该方法基于水流喷射，利用水流反作用力模拟水轮机载荷。通过标定获得了喷射水流的控制参数（电压信号）与喷嘴反作用力之间的关系，获得了比例阀动态响应的特性。利用标定的结果，将待模拟信号转换为控制电压信号。最后利用控制信号控制比例阀，完成了信号的模拟。模拟结果表明，喷水试验测试结果与待模拟信号在时域、频域方面比较吻合。通过研究可以得出以下结论：

（1）管路水压对试验结果有较大的影响，管路水压力大时喷射流反作用力时程与控制信号吻合较好；反之，管路水压力值小时，喷射流反作用时程与控制信号吻合度较差；应该在条件允许的情况下尽可能地调高管路水压力值。

（2）在低频率情况下，喷射流反作用力时程都与控制信号吻合度较好；当频率增高时，喷射流反作用力时程波形出现“毛刺”小波动，与控制信号吻合度差。

（3）从试验统计结果分析看，喷射水流反作用力信号与电压控制信号相比有整体延迟现象。由于这是连续信号的整体延迟，可以不考虑这种延迟现象试验结果的影响。

（4）电压控制信号的幅值相同而频率不同情况下，测试得到的喷射流反作用力有差别，高频率控制信号获得的喷射流反作用力幅值较之低频率控制信号获得的喷射流反作用幅值小。在操作过程中，应根据待模拟信号的实际情况，对转换得到的控制信号进行修正。

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