基于AQWA的漂浮式海洋裝置載體錨泊系統(tǒng)耦合分析

王世明，鄒偉

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院 上海 201306)

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基于AQWA的漂浮式海洋裝置載體錨泊系統(tǒng)耦合分析

王世明，鄒偉

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院 上海 201306)

文章基于波浪力時(shí)域頻域的運(yùn)動(dòng)理論，采用變換錨鏈夾角的方法，通過水動(dòng)力軟件AQWA進(jìn)行仿真耦合分析的方式，得出針對(duì)特定研究對(duì)象即雙浮筒漂浮式浪流發(fā)電裝置的最佳錨泊方案，進(jìn)而探討類似的漂浮式海洋裝置載體錨泊系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)。

海洋能；錨泊系統(tǒng)；AQWA；系纜張力

1 引言

隨著世界能源消耗量的持續(xù)大幅上升并影響世界經(jīng)濟(jì)，海洋能源利用研究的重要性日益凸顯[1]。其中，對(duì)錨泊系統(tǒng)的研究極為關(guān)鍵。由于受到風(fēng)、浪、流的聯(lián)合作用，受錨泊載體在海洋中將會(huì)產(chǎn)生位置偏移，引起錨鏈張力的突變[2]。

由于我國對(duì)海洋能發(fā)電裝置系泊系統(tǒng)的研究開展較晚，至今尚未形成專門規(guī)范，其設(shè)計(jì)和應(yīng)用主要參考類似海上建筑系泊方式[3]。而用于搭載裝置的漂浮式載體在海上系泊時(shí)，由于海洋環(huán)境力的作用將偏離平衡位置，這時(shí)需要錨泊系統(tǒng)提供回復(fù)力，以確保其始終處于一定范圍內(nèi)[4]。由于海洋能發(fā)電裝置工作環(huán)境的特殊性以及其在抵抗極端風(fēng)暴荷載、使用壽命、多設(shè)備協(xié)調(diào)、經(jīng)濟(jì)性等方面有獨(dú)特要求，而系泊系統(tǒng)作為該裝置的關(guān)鍵部分對(duì)其發(fā)電效率、裝置可靠運(yùn)行、年限壽命、維修成本等方面有巨大影響，因此有必要對(duì)裝置系泊方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

本文重點(diǎn)研究載體和錨索受到的環(huán)境力以及在環(huán)境力作用下的響應(yīng)，并對(duì)錨鏈布置方式及其可靠性能進(jìn)行分析。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 頻域和時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程[5]

通過計(jì)算頻域內(nèi)單位幅值波激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)，得到結(jié)構(gòu)的RAO值，運(yùn)動(dòng)方程為：

(1)

(2)

式中：A為波幅；Ms為結(jié)構(gòu)質(zhì)量；Ma為附加質(zhì)量；B為阻尼系數(shù)；K為水靜力剛度；F為波浪力。

時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程：

(3)

式中：h(t)為加速度迭代積分矩陣。

其中阻尼系數(shù)

2.2 二階波浪力

二階波浪激振力近場(chǎng)解可寫成：

(5)

如果忽略和頻部分(TLP平臺(tái)不能忽略)，式(5)可化為：

(6)

Newman近似指出：

基于上述等式，式(6)可寫成：

(7)

式(7)近似適用于深水情況，被用來評(píng)估二階差頻波浪力，并且忽略波浪漂移阻尼。

3 系泊系統(tǒng)建模和環(huán)境條件

水動(dòng)力系數(shù)均使用AQWA計(jì)算得出。AQWA是一個(gè)由不規(guī)則波的頻域(AQWA-FER)、隨機(jī)波包含慢漂流的時(shí)域(AQWA-DRIFT)、不規(guī)則波的非線性時(shí)域(AQWA-NAUT)等模塊集成的完整系統(tǒng)[6]，是一款基于勢(shì)流理論和三維二階輻射/繞射切片理論的水動(dòng)力學(xué)軟件，可以求解輻射/繞射模型以及流體中多體相互作用或作用在浮體濕表面的速度勢(shì)和一階二階力等，能夠滿足多種結(jié)構(gòu)流體動(dòng)力學(xué)特性評(píng)估相關(guān)分析需求[7]。

3.1 浮體的基本參數(shù)

本文所研究模型為兩翼雙浮筒式載體，用于搭載浪流一體化發(fā)電裝置，其獨(dú)特的工作方式是左右對(duì)稱兩個(gè)浮筒掛載一個(gè)浪流直接驅(qū)動(dòng)的水輪機(jī)進(jìn)行直驅(qū)波能發(fā)電。所研究基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：浮筒縱長20.4 m，浮筒直徑7.08 m，兩浮筒中心距20.4 m，設(shè)計(jì)吃水3.54 m，排水量795.76 m3；在AQWA中建模(圖1)。

圖1 浮體模型

錨泊系統(tǒng)參數(shù)：錨泊系統(tǒng)纜繩所用的材料是鋼絲，剛度為6.58×108 N，最小破斷拉力為7.84×103 kN。

針對(duì)該裝置獨(dú)特的雙浮筒對(duì)稱結(jié)構(gòu)以及直驅(qū)式的波能轉(zhuǎn)換方式，擬考慮以下錨鏈布置方案：采用4錨鏈布置，錨到浮體系纜點(diǎn)的錨鏈長度為290 m，以筒縱長方向?yàn)閅軸、筒徑長方向?yàn)閄軸且以其正向?yàn)閬砹?角度方向。兩種布鏈方案如圖2所示。

圖2 兩種布鏈方案

3.2 環(huán)境條件

根據(jù)API規(guī)范，以10年為重現(xiàn)期，本文環(huán)境條件采用中國南海海域10年一遇海況條件作為系泊系統(tǒng)生存設(shè)計(jì)條件(表1)[8]。

表1 環(huán)境條件

4 漂浮式海洋裝置載體錨泊系泊分析計(jì)算

4.1 水動(dòng)力計(jì)算

首先在0°～180°的單位波高的規(guī)則波作用下進(jìn)行頻域分析，得出系泊載體的RAO，由于結(jié)構(gòu)物的對(duì)稱性，給出0°、30°、45°、60°和90°的RAO(圖3～圖8)：

圖3 縱蕩RAO

圖4 橫蕩RAO

圖5 垂蕩RAO

圖6 橫搖RAO

圖7 縱搖RAO

圖8 艏搖RAO

綜合以上各圖結(jié)果可以看出，由于浮體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，縱蕩和橫蕩的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)在低頻時(shí)，RAO值由于波浪角度的不同有所區(qū)別，但隨著角頻率增大不同來流角度導(dǎo)致的RAO值會(huì)逐漸趨近。垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)則在0.8～1.6 rad/s頻率區(qū)間內(nèi)，RAO值則會(huì)由于波浪方向的不同有很大差別。橫搖、縱搖和艏搖分別在波浪

頻率為1.4 rad/s、1.2 rad/s和1.5 rad/s時(shí)RAO值在各個(gè)方向上表現(xiàn)出很大區(qū)別。

4.2 時(shí)域耦合分析

根據(jù)API規(guī)范，以10年為重現(xiàn)期，計(jì)算出在來流方向?yàn)?°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°情況下，4根錨索的最大張力如表2、表3所示。

錨鏈布置角度不同將對(duì)整個(gè)錨泊系統(tǒng)的可靠性能產(chǎn)生影響。由表2與表3可知，在浪流方向?yàn)?0°～120°時(shí)，非完全對(duì)稱布置方式的安全系數(shù)較完全對(duì)稱布置更加可靠。由于發(fā)電裝置的發(fā)電效率受到浪流方向的影響，在確定浮體投放方向時(shí)，優(yōu)先選擇非完全對(duì)稱布鏈方式。

表2 完全對(duì)稱布置錨索最大張力

表3 非完全對(duì)稱布置錨索最大張力

由表3可知，其最大值出現(xiàn)在方向?yàn)?0°時(shí)的第三條錨鏈上，其值為2 836 829.5 kN；安全系數(shù)K=2.76，符合規(guī)范要求的1.67。第三條錨鏈X方向上的位移主要在2.5～4.5區(qū)間內(nèi)變化，Y方向上的位移主要在-0.5～0.5區(qū)間內(nèi)變化，Z方向上的位移主要在-2～1區(qū)間內(nèi)變化。以上各方向的位移變化皆在裝置的可承受范圍之內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)本文基于AQWA得到合理的水動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，可用于錨泊系統(tǒng)的適應(yīng)性與可靠性計(jì)算。

(2)當(dāng)環(huán)境力方向在30°附近時(shí)，由于受力面積等因素的影響，系泊纜張力較大。

(3)針對(duì)上文模型結(jié)構(gòu)且相同條件下，四錨鏈非完全對(duì)稱布置較于完全對(duì)稱布置更加可靠。

(4)進(jìn)一步研究探討四錨鏈對(duì)稱布置方式對(duì)于類似的海洋對(duì)稱漂浮裝置是否同樣適用。

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A Coupled Analysis of the Carrier Mooring System of the Floating Marine Device Based on the AQWA

WANG Shiming，ZOU Wei

(Shanghai Ocean University，College of Engineering Science and Technology,Shanghai 201306，China)

Based on the kinetic theory of wave forces frequency domain，using anchor angle conversion method，the paper obtained a good anchoring program by specific study object of dual pontoon floating wave power generation device of the flow，through simulation coupling ways by hydrodynamic analysis software AQWA.A similar design of floating marine device carrier mooring system solutions were also explored.

Ocean energy，Mooring system，AQWA，Mooring tension

2016-03-14；

2016-07-08

國家海洋局海洋可再生能源專項(xiàng)(SHME2013JS01)；上海市2014年優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)劃項(xiàng)目(14XD1424300)；上海市軍民結(jié)合專項(xiàng)(D-8005-15-0182).

王世明，教授，博士，研究方向?yàn)楹Ｑ竽埽娮有畔洌簊mwang@shou.edu.cn

鄒偉，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ笮履茉囱b備，電子信箱：zouwei0302@163.com

TK7；P7

A

1005-9857(2016)08-0055-05