潮間帶拼裝式風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)的水動(dòng)力響應(yīng)分析

胡 杰 　 李志剛 　 鄭 峰 　 黃 堅(jiān)

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京　210007;　2.江蘇省科學(xué)技術(shù)廳，江蘇 南京　210007)

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潮間帶拼裝式風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)的水動(dòng)力響應(yīng)分析

胡 杰1李志剛1鄭 峰1黃 堅(jiān)2

(1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京210007;2.江蘇省科學(xué)技術(shù)廳，江蘇 南京210007)

為研究風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)在潮間帶環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性，建立了三維簡(jiǎn)化模型，使用AQWA軟件在頻域范圍內(nèi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了水動(dòng)力系數(shù)的變化情況，并通過吊裝平臺(tái)的時(shí)域計(jì)算模型，分析了其在最大波高不同周期下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

潮間帶，吊裝平臺(tái)，波浪力

1　概述

我國(guó)潮間帶風(fēng)能資源比較豐富，據(jù)初步估算總裝機(jī)容量在3 000萬kW以上，主要分布于江蘇、上海、山東、浙江等地。潮間帶周期性被海水浸泡，水深不滿足風(fēng)機(jī)安裝船的吃水標(biāo)準(zhǔn)，為此專門設(shè)計(jì)了用于潮間帶施工的拼裝式浮游風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)[1]。作業(yè)式吊裝平臺(tái)不僅受到波浪作用，還受到上部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的影響。入射波作用和上部機(jī)構(gòu)作業(yè)可以近似的看作是兩個(gè)相互獨(dú)立的事件，從而作為兩種情況分別計(jì)算它們的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，然后進(jìn)行疊加[2]。本文只考慮波浪對(duì)吊裝平臺(tái)的影響，僅有入射波作用的情形可以按單體計(jì)算。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)這一問題進(jìn)行了大量研究。Byeong W.Park[3]應(yīng)用Boussinsq方程對(duì)淺水系泊類船舶進(jìn)行了動(dòng)力響應(yīng)分析。H.B.Bingham[4]用一種新式計(jì)算方法，關(guān)于在有限水域中如何模擬被約束浮體在波浪誘導(dǎo)下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究。Mangala M.Gadagi等人[5]應(yīng)用了有限差分法對(duì)于不等的張緊力作用時(shí)張力腿平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況進(jìn)行了研究。AQWA是計(jì)算三維流體動(dòng)力學(xué)的重要工具，專門用于海上浮式結(jié)構(gòu)物動(dòng)力性能的評(píng)估及分析。

本文先采用Aqwa-line模塊，計(jì)算出吊裝平臺(tái)的水動(dòng)力系數(shù)和一階波浪力，然后采用Aqwa-naut模塊計(jì)算出在最大波高不同周期下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，為下一步考慮上部機(jī)構(gòu)作業(yè)對(duì)穩(wěn)定吊裝影響奠定基礎(chǔ)。

2　風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)模型的建立

除了海上浮式機(jī)場(chǎng)等超大型和特別細(xì)長(zhǎng)的艦船外，一般浮體在波浪或其他荷載作用下的剛體位移遠(yuǎn)大于其彈性變形引起的位移，剛體搖蕩頻率遠(yuǎn)小于彈性振動(dòng)頻率，風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)的動(dòng)力分析中，可以把浮基部分看作剛體對(duì)待。風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)的浮基部分由12 m×3 m×2.4 m的浮箱拼組而成，共計(jì)56個(gè)浮箱。在實(shí)際吊裝中最重及最高吊物為機(jī)艙，總重為95.6 t，起吊高度為88 m。徐工650 t履帶吊采用60 m重型主臂+42 m塔式副臂工況，工作半徑為22 m，額定起重量為111 t，完全滿足吊裝要求。風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址位于沿海灘涂區(qū)，地勢(shì)基本平坦[6]，水深取定常水深，吊裝平臺(tái)的基本尺寸及參數(shù)見表1。

表1　吊裝平臺(tái)基本尺寸及參數(shù)

根據(jù)吊裝平臺(tái)的尺寸，在ANSYS中進(jìn)行建模并網(wǎng)格劃分見圖1。

建模時(shí)網(wǎng)格劃分需要解決主要問題有：

3　錨鏈線與吊裝平臺(tái)的時(shí)域耦合分析

吊裝平臺(tái)進(jìn)行海面浮吊作業(yè)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)受到波浪的影響，錨鏈線限制船體的各方向的運(yùn)動(dòng)，錨鏈線和吊裝平臺(tái)是一個(gè)耦合系統(tǒng)。該耦合系統(tǒng)時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為：

其中，M,μ分別為浮體的廣義質(zhì)量陣和附加質(zhì)量陣；λ(t-τ)為延遲函數(shù)陣；c為浮體的靜水恢復(fù)力系數(shù)陣；Fw(t)為波浪力，包括一階波浪力和二階波浪力；Fm(t)為錨泊力。

3.1錨鏈線的設(shè)定

為了確保風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)作業(yè)的安全，需設(shè)置一定數(shù)量的錨鏈線以限制其大幅漂移，因?yàn)榈跹b平臺(tái)工作在潮間帶，屬于淺水域，所以錨鏈選用純錨鏈，采用交叉系泊的方式[8],錨鏈孔位于平臺(tái)上表面的4個(gè)頂點(diǎn),連接4根錨鏈且對(duì)稱布置，材料采用無橫檔錨鏈，坐標(biāo)原點(diǎn)取在吊裝平臺(tái)兩對(duì)稱面交線的水線處。風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)時(shí)域錨鏈線的計(jì)算模型如圖2所示。錨鏈線的參數(shù)如表2所示。

表2　錨鏈線的參數(shù)

水深/m預(yù)張力/N長(zhǎng)度/m直徑/mm濕重/kg·m-1斷裂剛度/N軸向剛度/N4.002.00E470.003831.625.81E72.30E8

3.2風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)在最大作業(yè)波高下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)研究

當(dāng)浪高達(dá)到一定高度時(shí)，風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)已經(jīng)不可以工作了，否則將發(fā)生危險(xiǎn)，由實(shí)測(cè)資料及業(yè)主要求，最大作業(yè)波高為1.5 m。以下針對(duì)波高1.5 m下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行研究，波浪周期為3.0 s，3.5 s，4.0 s，4.5 s，5.0 s，5.5 s，6.0 s，6.5 s，7.0 s，7.5 s這10個(gè)波浪周期，每組規(guī)則波均采用0°，30°，45°，60°及90°入射角進(jìn)行計(jì)算，共計(jì)50種工況。圖3～圖8為浮箱與錨鏈線連接后各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)位移與波浪周期關(guān)系的曲線。

數(shù)值結(jié)果分析：

1)由圖3可以看出，當(dāng)波浪入射角為90°，吊裝平臺(tái)的縱蕩位移幾乎為0，這與實(shí)際情況相符。當(dāng)波浪周期小于6 s時(shí)，0°入射角下縱蕩位移最大；當(dāng)波浪周期大于6 s時(shí)，30°斜浪入射角下縱蕩位移突然增大且隨周期的增大呈增大趨勢(shì)，同時(shí)觀察30°浪向角下的錨鏈力，6 s后由于縱蕩位移的突然增大引起了錨鏈力的急劇上升，此時(shí)最大值已經(jīng)達(dá)到2.5E6，已經(jīng)小于API規(guī)范中規(guī)定的錨鏈的安全系數(shù)1.67，在實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)避免6 s以上的30°斜浪或者增加錨鏈長(zhǎng)度和初始預(yù)張力，以減小縱蕩位移和錨鏈力。由圖4可以看出，橫蕩位移與縱蕩位移相似，這與吊裝平臺(tái)的對(duì)稱性相關(guān)。

2)由圖5可見，垂蕩運(yùn)動(dòng)隨周期的增大而呈增大趨勢(shì)，當(dāng)波浪90°入射時(shí)，垂蕩位移最大，垂蕩位移與縱蕩和橫蕩相比要小很多。由圖6可見，橫搖和縱搖值隨周期的增大整體呈增大趨勢(shì)。

3)由圖6可見，波浪90°入射時(shí)，橫搖角較大。在橫浪入射時(shí)，橫搖隨著周期的增大呈增大的趨勢(shì)，且在波浪周期為6 s以上時(shí)，這種趨勢(shì)更明顯。縱搖值隨著波浪周期增大而呈增大趨勢(shì)，且波浪0°入射時(shí)，縱搖角較大，橫浪幾乎不產(chǎn)生縱搖。總體而言，橫搖值與縱搖值幾乎差不多，這與吊裝平臺(tái)的長(zhǎng)寬比幾乎相等有關(guān)。

4)根據(jù)圖8發(fā)現(xiàn)，入射波浪方向?yàn)?0°～60°艏搖角較大，當(dāng)30°入射時(shí)，艏搖的運(yùn)動(dòng)幅值最大。當(dāng)波浪沿著吊裝平臺(tái)寬度和長(zhǎng)度方向入射時(shí)，幾乎不產(chǎn)生艏搖，這是因?yàn)?°和90°入射角下，吊裝平臺(tái)幾乎不會(huì)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)力矩。

4　結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)潮間帶拼裝式吊裝平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出了如下結(jié)論，為接下來展開吊物系統(tǒng)對(duì)吊裝平臺(tái)的影響提供參考。

1)吊裝平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與波浪周期變化及入射波方向有著不可分割的關(guān)系。當(dāng)波浪周期大于6 s時(shí)，30°斜浪入射角下縱蕩和橫蕩位移突然增大，工程實(shí)際中應(yīng)當(dāng)避免此種情況發(fā)生。

2)垂蕩，橫搖，縱搖都隨著波浪周期的增大而呈增大趨勢(shì)。為了保證較小的橫搖和橫蕩，應(yīng)避免90°浪向角作用在浮箱上，尤其當(dāng)波浪周期較大時(shí)。當(dāng)波浪0°～ 30°作用時(shí)，縱搖角較大。總體而言，橫搖值和縱搖值幾乎差不多，這與吊裝平臺(tái)的長(zhǎng)寬比幾乎相等有關(guān)。

[1]李志剛,胡杰,鄭峰.大型拼裝式海岸灘涂風(fēng)機(jī)吊裝平臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)[J].國(guó)防交通工程與技術(shù),2015(7)：24-26.

[2]李越.浮基多體系統(tǒng)自激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)域分析[D].南京：中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)，2003.

[3]Byeong W.Park.The ASME 28th international conference on ocean,offshore and arctic engineering[Z].2009.

[4]H.B.Bingham.A hybrid Boussinesq-panel method for predicting the motion of a moored ship[J].Coastal Engineering,2000(40)：21-38.

[5]MM Gadagi,H Benaroya.Dynamic response of an axially loaded tendon of a tension legplatform[J].Journal of Sound and Vibration,2006(4)：38-58.

[6]中南勘探設(shè)計(jì)院.中水電如東海上風(fēng)電場(chǎng)(潮間帶)100MW示范項(xiàng)目可行性研究報(bào)告[R].2011.

[7]劉應(yīng)中，繆國(guó)平，李宜樂，等.系泊系統(tǒng)動(dòng)力分析的時(shí)域方法[J].海洋工程，2008,26(1)：7-12.

[8]王樹青，梁丙臣.海洋工程波浪力學(xué)[M].青島：中國(guó)海洋大學(xué)出版社,2013.

[9]陳徐均.系泊浮體布鏈方式優(yōu)劣的理論分析[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào)，2001(7):85-87.

The analysis to the hydrodynamic response of the assembling wind turbine lifting platform on intertidal zone

Hu Jie1Li Zhigang1Zheng Feng1Huang Jian2

(1.CollegeofFieldEngineering,PLAUniv.ofSci. &Tech,Nanjing210007,China; 2.JiangsuScienceandTechnologyDepartment,Nanjing210007,China)

To analyze the hydrodynamic response characteristics of wind turbine lifting platform on intertidal zone, a three dimensional hydrodynamic simple model is established employing the AQWA software, the hydrodynamic coefficients are numerically simulated in the frequency domain. Then, the time domain model is built based on the same software, motion responses are analyzed in the operating sea condition considering various periods with maximum wave heights, which provided the reference for steady lifting， draw some valuable conclusions.

intertidal zone, lifting platform, wave forces

1009-6825(2016)08-0051-03

2016-01-09

胡杰(1988- )，男，在讀碩士

P751

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