多浮子波浪能發(fā)電平臺受力分析

張維，耿寶磊，金瑞佳

（交通運輸部天津水運工程科學研究所，港口水工建筑技術國家工程實驗室，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

0 引言

伴隨著全球陸地化石能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨加劇，有效利用清潔、可再生的海洋能源成為世界主要沿海國家能源戰(zhàn)略的重要選擇。我國波浪能開發(fā)利用技術研究始于20世紀70年代，80年代以來獲得較快發(fā)展。近年來，我國海洋能開發(fā)利用科技取得了長足進步，有十幾個研究所和大學先后開展了海洋能資源基礎理論研究[1-2]、海洋能發(fā)電系統(tǒng)基礎理論研究[3]、適合我國海洋環(huán)境特點的海洋能發(fā)電機組整機和關鍵零部件設計及制造[4]、海洋能發(fā)電場開發(fā)及運營[5]、海洋能發(fā)電場建設施工[6]、集成示范工程[7]等。

針對波浪能發(fā)電裝置研究，大部分學者還是進行傳統(tǒng)的物理模型試驗研究和數(shù)值模擬研究。趙海濤等[8-9]對浮力擺式波浪能裝置進行了物理模型試驗和數(shù)值模擬，找到了PTO阻尼、波浪水文要素以及發(fā)電效率的關系。Ning等[10-11]和Wang等[12]對岸式振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置同樣進行了物理模型試驗和基于勢流理論的數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)了結構尺寸、入射波浪條件與能量轉(zhuǎn)換效率的關系。Luan等[13]對浮子式波浪能發(fā)電裝置基于黏性流理論進行了數(shù)值模擬，找到了浮子尺寸、阻尼與最大能量轉(zhuǎn)換效率之間的關系。上述研究大多應用于固定式波浪能發(fā)電裝置或單浮體的波浪能發(fā)電裝置，而對于多浮體形式的發(fā)電裝置則研究較少。

本研究基于勢流理論，采用高階邊界元方法，在頻域內(nèi)研究了多浮子波浪能發(fā)電平臺的受力特征，分析了其在不同方向波浪作用下的受力情況，可以為后續(xù)的運動分析及錨泊系統(tǒng)分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 模型建立及驗證

采用基于勢流理論的高階邊界元方法在頻域內(nèi)對平臺的受力進行計算[14-15]，為了驗證本數(shù)學模型的正確性，計算了截斷圓柱在波浪作用下受到的波浪力。圓柱半徑a=1，水深h=2a=2，吃水深度T=a=1，計算得到的水平波浪力和垂直波浪力同解析解對比如圖1所示。圖中橫坐標為無量綱化的波數(shù)，縱坐標為無量綱化的波浪力。通過對比可以看出，使用本數(shù)值模型計算得到的水平和垂向波浪力和解析解十分吻合，證明了本數(shù)學模型的準確性。

圖1 截斷圓柱受力對比分析Fig.1 Comparative analysis of force on truncated cylinder

2 算例分析

針對多浮子式的波浪能發(fā)電裝置，應用本文建立的數(shù)學模型，計算該裝置在不同波浪方向入射情況下的受力情況。首先根據(jù)設計圖紙，得到每個浮子的尺寸和8個浮子的相對位置，如圖2所示，并給出了各個浮子的相對坐標，如表1所示。計算不同波浪周期、不同波浪方向入射對8個浮子的受力情況。

圖2 浮子尺寸及8個浮子相對位置示意圖Fig.2 Sketch of float size and relative position of eight floats

表1 8個浮子相對位置坐標Table 1 Eight floats relative position coordinates m

計算中，根據(jù)結構的對稱性，僅對1/4劃分網(wǎng)格，假設浮子在自身重量和配重壓載時，邊緣浸沒一半。分別計算波浪方向0°，11.25°，22.5°，33.75°和45°情況下浮子受到的合力，入射波浪波幅為1.0 m，計算波浪周期從3.0 s到12.0 s，間隔0.5 s。計算結果如圖3和圖4所示。

圖3 不同方向波浪入射時裝置受波浪力情況Fig.3 The wave force of the device under different wave incidence directions

圖4 不同方向波浪入射時裝置受波浪力矩情況Fig.4 The wave force moment of the device under different wave incidence directions

從8個浮子受力分析可知，由于浮子吃水較淺，因此水平方向受力遠小于垂直方向受力，水平方向在波浪周期4.0 s時達到最大，隨后迅速減小，在波浪周期5.0 s附近最小，其原因主要是入射波浪波長的影響，此時波長的一半和平臺尺寸很相近，由于波浪相位相差180°，導致水平和垂向波浪力達到最小，而在波浪周期5.5 s附近，較大的波浪力矩可能會使平臺有較大轉(zhuǎn)動。因此在短周期波浪作用下要注意平臺的轉(zhuǎn)動，長周期波浪作用下要注意平臺的升沉運動。

3 結語

本文基于勢流理論，采用高階邊界元方法在頻域內(nèi)建立了數(shù)值模型，計算波浪與結構物的相互作用。首先通過與其他學者的截斷圓柱的受力解析解對比，驗證了本數(shù)學模型的正確性，隨后應用該模型計算了多浮子波浪能發(fā)電裝置受到的波浪力和波浪力矩情況，發(fā)現(xiàn)其水平受力遠小于垂向受力，特別是在長周期波浪作用下，該裝置受到的垂向波浪力較大，對于波浪力矩，隨著波浪周期的增大，波浪力矩先增大后減小，因此在短周期波浪作用下要注意平臺的轉(zhuǎn)動，長周期波浪作用下要注意平臺的升沉運動。