波浪作用下浮式网箱与垂直轴风机综合平台水动力响应试验

张英超,毕春伟,赵云鹏

(1大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2中国海洋大学水产学院,山东 青岛 266003)

中国不仅是人口大国,也是背陆面海的海洋大国。为了践行大食物观,构建农林牧渔结合的多元化食物供给体系,发展养殖渔业刻不容缓。近海的渔业资源已被过度开发,种质退化、海水富营养化等问题严重,亟需拓展水产养殖新空间,发展深远海绿色养殖[1-4]。国内外学者对深远海养殖装备已开展了较多研究[5-10]。

然而发展深远海养殖面临诸多困难,最显著的问题是供电难题。使用柴油发电机或从内陆铺设海底电缆会增加资金投入,不符合可持续发展需求[11],解决深远海养殖设施的供电难题迫在眉睫。当今海上浮式风机正处于高速发展期。与近海相比,深远海风资源更丰富,能够集中建设大规模风电场,同时可减少对近海生态系统的影响。近年来,诸多学者通过模型试验与数值模拟对海上浮式风机进行了研究[12-14]。但海上风电的开发成本随水深的增大显著增加,而且海上风电的国家补贴已正式取消[15-17]。亟需另辟蹊径,寻求海上风电的可持续发展道路。浮式养殖平台与海上浮式风机结构相似,都包括浮式基础与系泊系统,可将两者进行结合。王亚坡等[18-19]将半潜式风机和垂荡式波浪能装置结合,设计了半潜式平台的风-浪能集成系统。Lei等[20]设计了Spar型的FOWT-SFFC,该结构上层为水平轴风机、下层为八边形网箱。Zheng等[21]设计了带有金属框架网箱的浮式垂直轴风机,通过水池试验研究了风浪荷载作用下结构的水动力特性。目前,风渔融合模式仍处于探索阶段,对风渔融合新型结构的试验研究较为匮乏。

本研究设计的浮式网箱与垂直轴风机综合平台是集合深海养殖与海上风电的新型结构,能够实现“以渔养电、以电养鱼”。同时,采用垂直轴风机可提高综合平台的防倾覆能力、减少前排风机对后排风机的尾流影响[22]。综合平台工作区域为开放性海域,作业环境恶劣,因此结构的安全至关重要。

本研究通过物理模型试验,在规则波作用下,探究了波高和周期对综合平台运动幅值和系泊力的影响。以期为风渔融合新型结构的研发设计提供技术参考。

1 物理模型试验

1.1 物理模型试验相似准则

浮式网箱与垂直轴风机综合平台是一个复杂的系统,既包括大尺度结构(如垂直轴风机、浮架系统等),也包括小尺度结构(如网衣系统)。在进行物理模型试验时,采用统一的相似比尺设计试验模型是难以实现的。为了减少比尺效应对试验结果的影响,对于大尺度结构,设定模型比尺为1∶100、时间比尺为1∶10、动力相似比尺为1∶106。对于小尺度结构,本研究采用李玉成等[23]、桂福坤等[24]提出的网衣变尺度相似准则,即网衣的轮廓尺寸采用大比尺1∶100,网目大小和网线直径采用小比尺1∶2。

1.2 浮式网箱与垂直轴风机综合平台的模型设计

浮式网箱与垂直轴风机综合平台的设计图如图1所示,自上而下分别由垂直轴风机、浮架系统、网衣系统、配重系统和系泊系统5部分组成。

图1 浮式网箱与垂直轴风机综合平台设计图

垂直轴风机将风能转化为电能,满足深远海网箱养殖的电力需求。浮架系统用以提供整体浮力,确保综合平台在各种海况下能维持漂浮状态。浮架系统既是垂直轴风机的基础,也是养殖网箱的框架。浮架系统内侧悬挂网衣形成封闭空间,容纳、保护养殖鱼类;外侧安装4个导缆孔,连接系泊系统用以控制综合平台的运动。

1.2.1 垂直轴风机模型设计

垂直轴风机(图2)由发电机、叶片、风叶连杆、风叶支架和风机支架5部分构成。

图2 垂直轴风机概念图(a)与实物图(b)

具体结构参数见表1。垂直轴风机的额定功率为10 MW,切入风速为5 m/s、额定风速为15 m/s、切出风速为25 m/s。

表1 垂直轴风机结构参数表

1.2.2 浮架系统模型设计

浮架系统由正八边形浮筒、4根斜撑和中心立柱组成(图3),是承受海洋环境荷载的主要构件。在物理模型试验中,根据试验水槽条件、设计工况、试验材质及采集设备量程等因素,确定浮架系统的整体跨度为0.851 m。理想状态下制作的模型应满足完全相似,但实践证明是不可行的,通常都是选择主导地位的力进行相似。

图3 浮架系统概念图(a)与实物图(b)

在本次试验中选择了有机玻璃制作模型,满足几何相似与重力相似,不考虑弹性相似。有机玻璃的密度为1 200 kg/m3、弹性模量为2.62×109Pa、泊松比为0.42[25]。结构具体参数见表2。

表2 浮架系统结构参数表

1.2.3 网衣系统模型设计

网衣系统作为浮式网箱与垂直轴风机综合平台的重要组成部分,在渔业养殖方面发挥了重要作用。在复杂海洋环境中,网衣(图4)在水流和波浪等荷载作用下极易产生较大变形。

图4 模型网衣图

为了确保有足够的养殖空间,需对网衣系统进行模拟。网衣系统由侧网和底网组成。本研究主要关注波浪作用,而波浪能量主要集中在水表面,随着水深的增大水质点速度减小。与侧网相比、作用于底网的波浪力很小,因此在物理试验中仅由侧网组成网衣系统[26]。网衣的具体参数见表3。

表3 网衣参数表

1.2.4 配重系统模型设计

配重系统系附在网衣的底端,可通过自身的重力减少网衣在水流和波浪等荷载作用下的变形,保持网箱的养殖空间。浮式网箱与垂直轴风机综合平台原型中配重系统的总质量为4.8×105kg,按照模型比尺1∶100,模型中单个沉子质量为30 g。采用铅制沉子作为试验的配重系统,沉子数量为16。

沉子的布置方式如图5所示,沿网衣下缘均匀分布。

图5 配重系统所用沉子图

1.2.5 系泊系统模型设计

系泊系统是在浮体单个或多个方向分布一定数量的系泊缆,将浮体固定在特定位置,方便运营和维护。本研究采用四点锚碇形式固定浮式网箱与垂直轴风机综合平台。此种系泊方式简单、经济、整体系泊刚度分布较为均匀、不需要复杂的机械装备。系泊缆选择悬链线系泊,采用钢制无档锚链,系泊系统布置方式及模型锚链如图6所示。

图6 试验系泊布置方式及锚链实物图

系泊系统参数如表4所示。

表4 系泊系统参数表

1.3 物理模型试验布置

本试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室海洋环境水槽中进行,水槽长50.0 m、宽3.0 m、深1.0 m;造波机板宽3.0 m;最大工作水深0.7 m;最大波高0.3 m;周期范围0.5～5.0 s,可以模拟单方向传播的长波峰规则波和不规则波(图7)。为了消除波浪的反射作用,在造波机对面水槽设置专门的消波装置,降低反射波对试验结果产生影响。

图7 实验室海洋环境水槽照片

试验设计水深为0.6 m,浮式网箱与垂直轴风机综合平台放置在水槽中间,距离两侧壁面均为1.07 m。物理模型试验布置如图8所示。试验使用的采集设备包括浪高仪、CCD高速相机、拉力传感器、信号放大器、数据采集系统、计算机等。

图8 试验布置图

进行物理模型试验时,造波机产生的波浪质量是影响试验结果准确性的重要原因。在环境模拟阶段,将浪高仪布置在模型所在的前方、中心位置、一侧,用于测量和标定正式试验中要应用的波浪数据。为了获得浮式网箱与垂直轴风机综合平台在不同波浪荷载作用下的运动幅值,通过CCD高速相机录制运动视频,采用Matlab及CCD动态图像跟踪软件分析其运动。运动分析的步骤包括系列图像获取,跟踪点扫描,图像数据处理和数据分析4部分,具体可参照桂福坤论文[27]。分析结构运动时,一般情况下只需要分析特定点,如前后系缆点、浮架中点等。

在本研究中,结合八边形浮架的特点,将跟踪点布置到前后系缆点处(图8红色圆圈)。为防止发光二极管进水短路,将其粘贴到模型上方而不是一侧(图9红色圆圈)。

调节相机焦距到合适数值、避免录制过程中跟踪点丢失。每次试验待波浪稳定传播后开始采集运动图像。系泊系统所受的系泊力通过拉力传感器采集。拉力传感器一端连接导缆孔、另一端连接系泊缆,布放位置可见图8和图9(黄色方框)。通过专用信号线接至相应的信号放大器,再通过数据采集箱把信号输入到采集计算机中。统计结果时取迎浪侧两个拉力传感器平均值作为迎浪侧系泊力结果,背浪侧的数据同样处理。

1.4 物理模型试验工况

每组工况的具体数值如表5所示。

表5 试验工况表

浮式网箱与垂直轴风机综合平台的水动力响应包括其运动幅值和系泊力。浮体在水中的运动响应可分解为6个自由度的运动,分别为纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇。在本试验中,波浪沿单一方向入射、模型对称布置,因此可将浮式网箱与垂直轴风机综合平台的运动简化为二维平面运动,只需采集纵荡、垂荡和纵摇三个自由度的运动幅值。针对中国南海海域特点,结合王亚坡[18]、Zhai等[28]研究内容,本研究选取了波高为3 m的正常运行海况、6 m的作业海况以及波高为9 m的极限海况。根据南海海况的波谱高能频带,选择的周期范围介于10～14 s。

2 规则波作用下综合平台的水动力响应

2.1 规则波作用下综合平台的运动响应

图10、图11和图12为9组工况下的纵荡、垂荡、纵摇运动幅值,试验结果数据均为模型值。

图10 不同工况下浮式网箱与垂直轴风机综合平台的纵荡值

图11 不同工况下浮式网箱与垂直轴风机综合平台的垂荡值

图12 不同工况下浮式网箱与垂直轴风机综合平台的纵摇值

从图10中发现,波高为3 cm的工况,周期从1.0 s增加到1.4 s,纵荡值从0.85 cm增大到1.69 cm。在同一波高条件下,纵荡值与波长呈正相关趋势,周期大则波长大,所以浮式网箱与垂直轴风机综合平台的纵荡值随周期的增加而增大,在周期为1.4 s时取得最大值。这一规律与驳船式海上风机与网箱综合平台的研究结果基本一致[28]。周期相同时,浮式网箱与垂直轴风机综合平台的纵荡值随着波高的增加呈现增加的趋势,而纵荡值的增长量随波高的增大而减小。周期为1.2 s时,波高从3 cm增加到6 cm时纵荡值的增长量1.12 cm大于波高从6 cm增加到9 cm纵荡增长量0.71 cm。在波高为9 cm的极限工况下,浮式网箱与垂直轴风机综合平台的纵荡最大值为4.75 cm,满足API设计规范要求的生存海况下漂移距离小于工作水深的10%(即6 cm)[29]。

从图11中可知,在同一波高条件下,浮式网箱与垂直轴风机综合平台的垂荡值随着周期的增加呈现增大的趋势,波高为9 cm的工况,周期从1.0 s增加到1.4 s,垂荡从2.72 cm逐步增加,在周期为1.4 s时取得垂荡最大值4.21 cm。当周期不变时,浮式网箱与垂直轴风机综合平台的垂荡值随波高的增加而增大。同时,垂荡值的增长量随波高的增大保持相对稳定。周期为1.2 s时,波高从3 cm增加到6 cm的垂荡增长量为1.13 cm,与波高从6 cm增加到9 cm的垂荡增长量为1.27 cm相近。

从图12中可知,在相同波高条件下,浮式网箱与垂直轴风机综合平台的纵摇值随着周期的增加呈现减小的趋势。产生这一结果的主要原因是由波陡的变化造成的,在波高不变的情况下,随着周期的增加,波陡随之减小,波浪作用于综合平台的接触面积减小、波浪抨击综合平台的频率降低,导致综合平台的纵摇值减小,这与刘航飞[30]研究的半潜式养殖平台结果一致。波高为6 cm的工况,周期从1.0 s增加到1.4 s,纵摇值从7.00°减小到4.97°,其他工况也具有类似情况。波高越大纵摇值减小的趋势越明显,在周期为1.0 s时,取得纵摇最大值8.35°。在同一周期条件下,纵摇值随波高的增加而增加。周期为1.2 s的工况,波高从3 cm增加到9 cm,纵摇值从3.44°增加到7.06°。周期相同、波高增大则波陡增大,波浪与综合平台的接触面积增大、波浪水质点速度增大,因此综合平台的纵摇值增大。

从以上结果中可以发现,同一周期条件下、波高越大,浮式网箱与垂直轴风机综合平台的纵荡、垂荡、纵摇运动幅值就越大。因为波浪的能量与波高的平方项满足正比例关系。周期不变,随着波高的增加、波浪的总能量增加、传递到浮式网箱与垂直轴风机综合平台的能量也在增加,因此浮式网箱与垂直轴风机综合平台的运动幅值均与波高呈正相关。此外,纵摇运动是评价浮式网箱与垂直轴风机综合平台是否安全可行的重要条件之一[31]。如果平台的纵摇过大,不仅会造成网箱容积急剧减小导致养殖鱼群挤压死亡,还会引起塔架振动、影响风机系统的动力性能,严重时造成整体倾覆。试验结果证明了浮式网箱与垂直轴风机综合平台具有良好的稳定性,除波高为9 cm、周期为1.0 s的极限工况外,其他工况下的纵摇运动幅值均较小。

2.2 规则波作用下综合平台的系泊力响应

浮式网箱与垂直轴风机综合平台在9组工况下迎浪侧与背浪侧系泊力如图13和图14所示。从图13中可知,在同一波高条件下,迎浪侧系泊力随着周期的增大呈现减小的趋势,波高越大时减小的趋势越明显,波高为9 cm的工况,周期从1.0 s增加到1.4 s时,迎浪侧系泊力从3.07 N减小到2.25 N,减小量为0.82 N,显著大于波高为3 cm下的减小量0.23 N。在周期为1.0 s时取得最大值,迎浪侧系泊力的最大值为3.07 N。周期相同时,迎浪侧系泊力随着波高的增大而增大,且波高越小增大的趋势越明显。周期为1.0 s时,波高从3 cm增加到6 cm时迎浪侧系泊力增加量为0.76 N,明显大于波高从6 cm增加到9 cm时迎浪侧系泊力的增加量0.47 N。

图13 不同工况下浮式网箱与垂直轴风机综合平台的迎浪侧系泊力

图14 不同工况下浮式网箱与垂直轴风机综合平台的背浪侧系泊力

从图14可知,波高相同时,背浪侧系泊力随周期的增大而减小。波高为9 cm的工况,周期从1.0 s增加到1.4 s,背浪侧系泊力从1.76 N减小到1.32 N。波高9 cm和波高6 cm时的减小量分别为0.44 N和0.46 N,减小的趋势较为显著,波高3 cm时减小量为0.17 N,减小的趋势较为平缓。周期相同时,背浪侧系泊力的大小与波高为正比例关系,波高越大、背浪侧系泊力的数值就越大,在周期为1.0 s的工况下,波高从3 cm增加到9 cm,背浪侧系泊力从1.19 N逐步增大,在波高为9 cm时取得背浪侧系泊力的最大值1.76 N。

对比图13和图14可知,同一工况下迎浪侧系泊力显著大于背浪侧系泊力,这与Zhao等[32]的研究结果一致。

在正向入射的波浪作用下,迎浪侧的系泊缆同时承受外界荷载与浮式网箱与垂直轴风机综合平台运动产生的荷载。而背浪侧系泊缆承受的荷载经过迎浪侧系泊缆的分担、浮架系统和网衣系统等结构的削弱,明显小于迎浪侧。在试验工况7中,迎浪侧系泊力与背浪侧系泊力的差值为1.31 N,迎浪侧系泊力比背浪侧系泊力大75%。此外,从背浪侧系泊力图中观察到波高为6 cm和波高为9 cm的系泊力数值较为接近,两者之间的最大差值为0.09 N;而迎浪侧系泊力图中对应工况的数据相差较大,两者之间的最大差值为0.47 N。因此可知,极限工况对浮式网箱与垂直轴风机综合平台迎浪侧系泊缆影响较大,对背浪侧的系泊缆影响较小。

将浮式网箱与垂直轴风机综合平台的运动幅值与系泊力综合分析,可以发现迎浪侧与背浪侧系泊力的变化趋势与纵摇运动的变化趋势基本相同。两者与波高呈正相关,与周期呈负相关。结合本研究采用的悬链线系泊方式可知,系泊系统的恢复力主要由系泊缆悬挂段和躺卧在海底躺底段的重力提供,因此对于浮式网箱与垂直轴风机综合平台的垂向运动约束大于纵向运动。对于浮式网箱与垂直轴风机综合平台的垂荡运动,可以发现波高和周期较大时垂荡值增长变缓,这也是系泊系统恢复力的体现。

3 结论

本研究通过物理模型试验,研究了波浪作用下浮式网箱与垂直轴风机综合平台的水动力响应,主要得到以下结论:1)波高不变时,综合平台的纵荡、垂荡运动均随波浪周期的增加呈现增加的趋势,而纵摇运动随着周期的增加呈现减小的趋势;2)周期不变时,综合平台的水动力响应均随波高的增加呈现增加的趋势;3)综合平台的运动幅值基本满足API规范要求,工作海况下能正常运行;4)同一工况下迎浪侧系泊力明显大于背浪侧系泊力,极限工况对迎浪侧系泊缆的影响大于背浪侧,因此在工程结构设计中应重点关注迎浪侧系泊力,防止发生系泊缆断裂事故;5)本研究采用的悬链线系泊系统对综合平台的垂向运动约束大于纵向运动。本研究仅对波浪作用下浮式网箱与垂直轴风机综合平台的水动力响应进行了分析,并未考虑风机受风的影响。在未来的研究中,将会开展风浪流联合作用下综合平台的耦合动力分析。