風電運維船與風機塔基耦合水動力響應分析研究

謝云平，徐曉森，胡冬芳，袁雙雙，喻 嵩

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

風電運維船與風機塔基耦合水動力響應分析研究

謝云平，徐曉森，胡冬芳，袁雙雙，喻 嵩

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212003)

海上風電運維船通常采用船首頂靠海上風機塔基靠船樁的方式來保證風機維護人員的安全登塔，因此對其在相應海況條件下的縱搖、升沉等水動力響應進行分析研究很有必要。本文采用Fine/Marine和AQWA軟件，對某運維船在實際海況條件下的耦合水動力響應進行分析研究，從而為風電維護人員的安全登離以及輔助登離設備的研發提供參考。

海上風電；運維船；風機塔基；水動力響應

0 引 言

海上風電運維船用于維護人員及小型零部件的運輸，其主要包括海上航行和靠離風機塔基 2 個重要環節。目前，運維船一般采用頂靠方式供維護人員登離風機基礎，即船首端頂靠船樁后，人員進行登離[1–2]。所以，在風、浪、流的作用下，運維船的水動力運動響應，尤其是船首端的升沉和縱搖幅值，對維護人員的安全登離塔基有著重大的影響。

為此，考慮船與風機塔基之間也存在風、浪、流的屏蔽效應[3]，本文針對某運維船與風機塔基頂靠耦合模型，通過施加不同的浪高和風速，來分析研究風浪不同作用角度時運維船船首端的升沉和縱搖幅值，并依據許可升沉幅值來確定運維船適應風浪的能力，進而為風電場運維船的安全使用提供一定的參考。

1 模型及相關參數的確定

1.1 船模及海上風機塔基耦合模型

波浪傳播過程中與大尺度結構物相遇時，由于結構物的影響，會產生繞射現象，即波浪的一部分能量被結構物阻擋，另一部分能量從結構物側面繞過，傳入結構物后面的水域中。對于大尺度結構物對波浪場的影響以及波浪力的計算等，都需要研究波浪繞射問題。

考慮本研究風電塔基（水面處直徑5.2 m）相對于運維船尺度（見表1）較大，為此需針對耦合模型（見圖1）進行研究。

風機塔基尺寸的直徑為5.2 m，其耦合模型如圖1所示。

1.2 環境參數

本文針對該風電運維船能在 3～4 級海況中工作的使用性能要求，計算有義波高取1.0 m，1.2 m，1.4 m，1.6 m，1.8 m。浪向角取0°，45°，90°（0°為迎浪），風速及流速按表2所取。

表1 某風電運維船相關參數Tab.1 Parameters of the maintenance ship

表2 不同浪向角對應的風速和流速Tab.2 The speed of wind and wave at different wave angles

本文采用JONSWAP不規則譜，波浪的計算頻率范圍取0.3～4.0 rad/s。JONSWAP中形狀因子 γ 根據式（1）～式（3）進行計算：

根據ISSC（1979）給出的計算式（4）來參考作為波譜峰周期TP的范圍：

研究所選定的波譜峰周期為：

JONSWAP譜的表達式為：

式中σ為峰形參數。當ω≤ωP時，取σ=0.07；當ω＞ωP時，取σ=0.09。

由計算可得不同有義波高下的譜峰頻率、起始頻率、終止頻率和Gamma值，如表3所示。

由表5可知，回歸模型的F值為1012.456，大于F0.01(2， 2)。因此，可認為在顯著性水平為0.01的情況下，Y對X1和X2的線性關系顯著，模型可通過顯著性檢驗。將式(3)和式(4)帶入式(5)中，即可得到關于Y與x1～x5之間的多元線性回歸模型，如式(6)所示：

表3 不同有義波高下的波譜參數Tab.3 Parameters of wave spectrum at different significant wave heights

1.3 其他參數

風機塔基與船首的頂靠處設有橡膠作緩沖之用，其摩擦系數是水動力響應模擬的重要參數之一，根據相關手冊，橡膠與鋼的摩擦系數約為0.8（超出AQWA設定的上限值0.5），最終計算時橡膠的摩擦系數取為0.5。

此外，頂靠時的推力是另一重要參數。經過計算，本運維船系柱推力為50 kN。

2 風流力系數及粘性阻尼數值仿真

本文采用CFD數值仿真軟件Fine/Marine進行風流力系數計算，由于AQWA為基于勢流理論的水動力分析軟件，沒有考慮水的粘性阻尼，通常通過CFD或者模型試驗方法獲得，作為水動力響應分析計算的輸入。所以本文同樣采用Fine/Marine模擬運維船垂蕩及縱搖的自由衰減，從而得到粘性阻尼。

2.1 風流力系數

把船與塔基模型導入進Fine/Marine軟件進行網格劃分，對不同的浪向角（0°，45°，90°）進行計算。由于AQWA計算文件中的風流力系數為力或力矩除以速度的平方，經計算整理得到各工況的風力系數及流力系數如表4所示。

表4 某一風速及流速時不同浪向角的風流力系數Tab.4 Drag coefficients of wind and wave at different wave angles

2.2 粘性阻尼

浮式結構物的六自由度運動中，橫搖、縱搖和垂蕩方向有靜恢復力或力矩，在平衡位置時，外力作用會使系統偏離平衡位置，當外力停止作用后，由于系統的靜恢復力和力矩的作用，系統會繞原來的平衡位置產生單純的周期性搖蕩衰減運動。通過記錄搖蕩衰減時歷曲線，可以得出系統的固有頻率和無因次阻尼系數，系統運動方程為[4]：

式中：M為浮式結構物總質量（包括附加質量）；C 為系統阻尼系數； K為結構剛度矩陣。

確定系統阻尼的一個簡單方法是測量系統的衰減率，常用衰減系數的自然對數表示振幅的衰減率：

式中：δ 為對數衰減率；Ai和Ai+N為第i個和第i+N個振幅值。

ζ 為阻尼比，可用對數衰減率δ表示為：

同樣，系統的固有周期可由衰減曲線獲得：

式中：T為系統固有周期；tk+i和tk為第k+i個和第k個振幅對應的時間。

臨界阻尼為CC=2mλ，λ為固有頻率，阻尼系數C=CCζ。回復剛度為：垂蕩，橫搖，縱搖。根據以上原理，在Fine/Marine中進行仿真計算，得到該雙體船的縱搖、垂蕩的靜水衰減曲線如圖2和圖3所示。

由以上Fine/Marine仿真計算得到的圖形，經過換算得到的阻尼如表5所示。

表5 阻尼匯總表Tab.5 The summary sheet of damping

3 水動力響應計算

本文針對不同的波高1.0 m，1.2 m，1.4 m，1.6 m，1.8 m，不同的浪向角0°，45°，90°和不同的風速及風向、流速及流向的組合工況，在考慮一定的螺旋槳推力和船首摩擦阻尼的情況下，利用AQWA軟件進行運維船的水動力響應分析計算，利用LINE與DRIFT模塊分別計算頻域分析與時域分析。

3.1 頻域分析

根據AQWA-LINE模塊計算在計算不同頻率不同入射方向的單位波幅規則波作用下雙體運維船的動力響應[6]，下面給出六自由度方向的隨波浪頻率變化的響應幅值算子（Response Amplitude Operators，RAO）。

如圖4所示，不同浪向角的橫蕩與縱蕩RAO基本隨著頻率的增加而下降，其峰值出現在低頻。0°和45°時的縱蕩RAO也是隨著這頻率的增加而減小，而90°時的RAO呈波浪狀。45°與90°時的橫搖與首搖RAO先增大后減小，而0°時的橫搖與首搖RAO較小。不同浪向角的縱搖RAO也是先增大后減小，但0°和45°峰值點接近，90°時的峰值頻率稍大。

3.2 時域分析

海洋中波浪高度是一個具有零均值、各態歷經的高斯隨機過程，浮體對任意波浪成分的響應是這個成分波波幅的線性函數并且與它對其他波浪成分的響應獨立無關[7]，因此可以假定浮體對隨機波浪的響應等于所有組成風浪的各單元波的響應之和[8]。AQWADRIFT模塊利用LINE模塊計算的不同頻率、不同入射方向單位波幅作用下的RAO插值計算得到隨機波浪作用下平臺的動力響應。

利用DRIFT模塊的fender功能對運維船首護舷進行數值模擬，摩擦系數取0.5，fender直徑取與某護舷材一致，受力應變關系式取某給定值，并施加航速v=0時的螺旋槳推力作用在船上，以維持頂靠狀態。時域分析采用JOHNSWAP譜，具體參數如上文所述。由計算得船首登靠點處z方向的運動如圖5所示。

由圖6可知，在首部頂靠方式下，浪向角在45°時，船首端船現較大的升沉值（幅度在0.4～0.9 m左右），且浪越高，其值越大；有義波高在1.0 m、1.2 m、1.4 m海況時，其首部升沉最大值基本均在0.6 m以下，符合人員登靠標準。而當有義波高大于1.4 m時，運維船僅在0°首部升沉最大值小于0.4 m；在不同波高時，均出現浪向角在0°首端升沉值最小，45°時的首端升沉值較大，且大于90°時的值。首部升沉最大值基本隨著有義波高的增加而變大，當有義波高超過1.4 m時，運動幅值增速變快。

4 結 語

本文基于勢流理論和波浪的繞射理論，結合計算流體軟件FINE/Marine和水動力分析軟件AQWA，計算了雙體運維船的風流力系數以及粘性阻尼；頻域內計算了運維船在單位波幅規則波作用下的運動響應，分析了它的運動響應RAO；基于頻域分析結果，對運維雙體船行時域耦合動力分析，計算了其在給定不規則波情況下的動力響應，主要結論如下：

1）船在波浪高度不超過1.4 m時，其首端升沉幅值基本小于0.6 m，人員登離較為安全；

2）首部升沉最大值隨著有義波高的增加而變大。在一定波高時，浪向角0°時運動幅值較小，45°和90°時的首端登靠點升沉值較大，且45°時的值最大；

3）建議參照風電場風浪流常年方向資料來確定風機塔基靠船樁的安裝方位，以避免45°的浪向角，以更好地把控船首升沉幅值，提高維護人員登離時的安全性。

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Coupling hydrodynamic response analysis of wind generator tower and maintenance ship

XIE Yun-ping, XU Xiao-sen, HU Dong-fang, YUAN Shuang-shuang, YU Song
(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Maintenance ship is usually required to move against the tower so that workers are able to get on the tower, which needs to ensure the security of workers in the corresponding sea conditions. Therefore, it is necessary to research hydrodynamic response of ships in the corresponding sea conditions. In this paper, with the use of Fine/Marine and AQWA software, it analyzes hydrodynamic responses of a specific maintenance ship under actual sea conditions and provides researchers with the reference for devising auxiliary apparatus which is beneficial for people to get on the tower.

offshore wind；maintenance of the ship；wind generator tower；hydrodynamic response

U661.3

A

1672 – 7619(2017)06 – 0038 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2017.06.008

2016 – 08 – 02；

2016 – 08 – 09

謝云平(1964 – )，男，研究員，研究方向為船舶設計。