10 MW 半潛浮式風機阻尼結構研究

余建星，景雪嬌，唐友剛*

（1.天津大學建筑工程學院，天津 300354；2.天津大學水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300354）

發展海上風電已經成為我國解決能源問題的重要戰略選擇。尤其發展海上浮式風力機，可以在水深50 m 以至更深的海域實施風力發電。因此近幾年來，浮式風力機得到了快速發展。至今，浮式風力機發電功率已經從2 MW 升級到8 MW，目前最大功率的發電機升級到10 MW[1]。

浮式風力發電機漂浮在海上，通過系泊線固定在海底。在風浪流作用下，浮式風力發電機發生6個自由度運動，這種運動會影響發電的效率和浮式風力機的結構安全。一般要求發電工況，風力機搖擺角不大于5°，水平運動不大于20 m，垂蕩運動不大于2.5 m。為了保證海洋環境載荷作用下浮式風力機的運動滿足發電要求，必須設法減小浮式風力機的運動響應[2-4]。尤其本文研究的10 MW 浮式風力機的運動控制問題，研究工作還很少。10 MW浮式風力機基礎結構體積更大，受波浪載荷顯著增加，垂蕩運動更大[3]。

對于減小浮式風力機的運動響應，國內外也進行了相關的研究。減小浮式結構運動響應的重要措施是給結構增加不同型式的垂蕩板，這種技術最早在Spar 型深海石油鉆井平臺上得到應用，在桁架式立柱上安裝水平板，阻尼增大，平臺垂蕩減小[5]。上海交通大學與美國NovellentLLC 公司聯合研發了八角形的幾何形Spar 平臺，實驗證明其阻尼性能比簡單的垂蕩板更好[6]。CERMELLI C A 等[7]設計了一種底部帶有垂蕩板結構的小型半潛式平臺，該平臺可以有效為浮式平臺提供附加質量和阻尼效應，減小半潛式平臺運動。垂蕩板型式的阻尼結構，也在半潛浮式風力機上得到應用，在浮式基礎立柱底端焊接垂蕩板，則風力機的垂蕩可以減小[8]。目前，研究阻尼結構的型式及其能量衰減機理，已經成為海洋工程領域一個重要的研究方向。尤其隨著浮式風力機結構不斷增大，揭示阻尼結構衰減能量機理，有效減小浮式風力機運動，合理設計阻尼結構是十分重要的。

研究阻尼結構阻尼產生的機理及提高阻尼性能的措施，大多采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法或者實驗研究方法。采用CFD 方法研究阻尼結構的粘性阻尼性能，涉及流體粘性阻尼兩個無量綱參數Keulegan-Carpenter（KC）和頻率（β）[9]。這些參數的定義如下。

式中，A、f 分別為振動幅值和頻率；D 為圓盤直徑；? 為水的運動粘度。

TAO L 等[10]研究了底部裝有圓形板的垂直圓柱的水動力系數，發現板的幾何形狀對漩渦脫落和粘性阻尼有顯著影響。AN S 等[11]的實驗研究表明，與實心板相比，穿孔板具有更小的附加質量和更大的阻尼。結構的邊緣形狀會影響誘導渦量，TIAN X L等[12]發現，方形邊緣的阻尼和附加質量比圓形、八邊形和六邊形邊緣形狀的要大。郝未南等[13]通過研究垂蕩板附近的渦量場與速度場，深入研究了垂蕩板導致平臺阻尼性能提高的原因。

研究表明，阻尼結構可以改進海上平臺的水動力性能，增大阻尼減小運動。然而，對于10 MW半潛浮式風力機阻尼結構的阻尼性能研究還很少，特別是對半潛式三立柱平臺減動結構不同尺寸和形狀的漩渦產生機理還不清楚，而這對于減小10 MW級大型浮式風力機的運動是十分重要的。本文基于10 MW 浮式風力機，研發了不同型式的阻尼結構，基于CFD 方法，在數字水池中采用了全尺寸CFD模擬，研究不同阻尼結構的阻尼性能，并且用渦量圖分析渦旋的產生機理，分析了不同型式阻尼結構的阻尼特性。本文研究工作對于阻尼結構的設計具有指導意義。

1 阻尼結構

1.1 原始模型

浮式風力機原始模型為OO-Star，用以支持DTU 10 MW 風力機。平臺由一個較低的星形浮筒組成，浮筒上安裝有一個中心柱和三個外部柱。所有的柱子都有一個圓柱形的上部和一個錐形的下部。主要材料是預應力混凝土，其產生的排水體積比鋼結構大，如圖1 所示。

圖1 LIFES50+OO-Star10 MW 風機浮式半潛平臺結構

該風機工作水深130 m，吃水22 m，排水體積為2.350 9E+04 m3，平臺包括壓載的總質量為21 709 t。

Z 軸通過中央柱的軸線，在水面處為零點，向上為正，X 與Y 軸的交點位于Z 軸與靜水面的交點，建立坐標系如圖2 所示。

圖2 浮式風力機坐標系

外柱下方的垂蕩板圓形部分直徑為22.8 m，高度為0.5 m。風機對于X 軸和Y 軸的轉動慣量均為9.43E+09 kg·m2，繞Z 軸的轉動慣量為1.63E+10 kg·m2[14]。沿X 軸的運動為縱蕩，繞Y 軸的轉動為縱搖。重要的浮式基礎參數在表1 中列出。

表1 LIFES50+OO-Stat10 MW 風機浮式半潛平臺參數

1.2 阻尼結構優化

本文基于垂蕩板提出新型阻尼結構。垂蕩板誘發的漩渦是產生粘性阻尼的主要因素，增大垂蕩板誘發的渦量是提高阻尼特性的主要途徑。為此，在原有垂蕩板的基礎上，改進垂蕩板的結構型式。提出以下3 種型式的優化。

（1） 將垂蕩板甲板和底板的外伸部分稱為邊鋒，研究不同邊鋒寬度模型的阻尼性能。

（2）在垂蕩板邊緣加擋板，形成類似于U 型及倒U 型阻尼結構，研究模型的阻尼性能。

（3）在垂蕩板上開孔，研究不同開孔率模型的阻尼性能。

3 種不同型式結構模型如圖3 所示。

圖3 模型結構優化示意圖

1.3 阻尼結構模型確定

采用CFD 方法，保持風機基礎主體不變，根據提出的改進方案建立了不同的模型。初始模型編號T1。垂蕩板邊峰寬0.2～0.6 m，根據邊鋒寬度的變化將模型編號為S1 至S3。U 型阻尼結構編號為U1，倒U 型阻尼結構編號為U2。在垂蕩板上開數量相同的半徑0.75 m 和1.0 m 的孔，根據開孔率的變化將模型編號為R1 至R2。考慮到垂蕩板對整個風機基礎結構特性的影響較小，假設各模型的重心、吃水和轉動慣量相同。各模型的詳細參數見表2。

表2 結構垂蕩板設計參數

2 基本理論

2.1 CFD 基本原理

CFD 方法是通過數值解法求解流體動力學中的方程，得到速度場、壓力場等結果，來探索流體流動問題。求解問題的基本原理有如下兩方面。

（1）基本方程。流體按照物理守恒定律進行流動，應當同時滿足質量守恒方程、動量守恒方程和能量守恒方程。如果研究對象中有不同組分混合且相互作用，還需考慮組分守恒定律。對于本文研究的風機基礎而言，由于研究環境為湍流，還要受湍流輸運方程的控制。

（2） 運動控制方法。對于預先指定的運動，可以通過導入用戶自定義函數文件描述物體的運動形式。編輯不同時間點及其對應的瞬時速度，從而規定物體的周期性運動。

2.2 阻尼系數計算

根據GUARNIZ A 等[15]提出的方法，水動力系數從CFD 模擬結果中獲得。運動可以是升沉或縱搖，假設物體是簡諧振動，結構位移為a，速度a˙和加速度a¨可以寫成以下形式。

式中，A 為結構運動幅值；ω 為波的頻率。作用在結構上的荷載F 見式（4）。

式中，F 可以從CFD 計算結果中得到；F0為載荷振幅；φ 為相位角。數值程序在每個時間步長計算出水動力載荷F。假設阻尼系數為線性，水動載荷滿足公式（5）。

式中，μ 為附加質量或附加慣性矩；λ 為流體阻尼系數；c 為靜水恢復系數，如果物體是完全浸沒的板，c =0。因此，式中阻尼系數λ 和附加質量或附加慣性矩μ 見式（6）。

根據CFD 模擬可以得到載荷幅值F0、相位角φ，代入式（6），可以確定附加質量和阻尼系數。

3 數值模擬

3.1 海況及運動形式

計算選取風機發電工況下的海況，風機基礎在波浪中的運動振幅數值預報結果如表3 所示。

表3 運動幅值

3.2 網格劃分及設定

基于表2 的數據建立相應的計算模型，計算過程采用動網格方法。將風機基礎的運動編寫為UDF文件，導入ANSYS FLUENT 軟件。根據物理模型設置邊界條件，初始化流場，設置流域22 m 水平線以下為海水。計算采用Standard k-ε 湍流模型，使用PISO 格式進行求解。

3.3 網格敏感性分析

為了對網格大小進行收斂性分析，針對T1 模型，根據風機基礎邊界到流域的網格增長率和剛性網格區域的網格大小不同生成了3 種網格數量不同的網格，分別編號為1 至3 號網格。每個網格的網格數量及阻尼系數的計算結果、計算30 s 時間歷程用時如表4 所示。3 種不同網格密度計算得到的垂蕩阻力時歷曲線如圖4 所示。慮到計算效率及計算精度，采用網格數量為422 萬的劃分方案進行后續的計算。

圖4 不同密度網格下垂蕩力時歷曲線

表4 3 種劃分的網格計算收斂性

4 計算結果及分析

4.1 邊鋒寬度對阻尼性能的影響

從圖4 可以看出，3 種模型的計算結果具有較好的一致性，垂蕩阻尼系數差異最大為3.7%。考

垂蕩板的不同尺寸會影響風機基礎的阻尼性能，其中邊鋒寬度是我們研究中要考慮的一個重要因素。阻尼系數與邊鋒寬度的關系如圖5 所示。

圖5 邊鋒寬度對阻尼性能的影響

可以看出，隨著邊鋒寬度的增加，垂蕩阻尼和縱搖阻尼力矩系數均增大。邊鋒寬度增加0.2 m 時，垂蕩阻尼系數增大約5%，對縱搖阻尼力矩系數的影響較小。這種現象是由于邊鋒寬度增大時渦量增大引起的。事實上，渦流脫落在提高結構阻尼系數方面起著重要作用，從而影響風機基礎的水動力性能。為了解釋圖5（a）中結果產生的原因，對垂蕩板周圍的漩渦脫落性能進行了分析。本研究中，渦旋脫落現象主要是指垂蕩板上下邊緣之間的渦旋，因此我們分析風機基礎垂蕩板周圍的渦量分布。

原始模型T1（無邊鋒）和模型S1、S2、S3 在一個完整周期結束時不同邊緣寬度的渦量分布分別如圖6（a）至圖6（d）所示。在渦量圖中，紅色代表正渦量，藍色代表負渦量。由圖6（a）和圖6（b）可以看出，當模型由無邊緣變為有邊緣時，渦量顯著增大。隨著邊鋒寬度的增大，渦量增大、渦脫落現象越來越明顯。此外，在渦量圖中發現，在垂蕩板曲率變化較大的地方渦量也會增大，會產生更明顯的渦中心。這些現象表明，邊鋒與水相互作用時產生的漩渦提高了風機基礎的阻尼系數，垂蕩板的邊鋒對水動力性能有積極影響，具有工程實際意義。

圖6 不同邊鋒寬度下模型垂蕩運動渦量圖

4.2 阻尼結構形式對阻尼性能的影響

垂蕩板結構形式也會影響浮體的水動力性能，是我們研究中需要考慮的因素。研究了U 型和倒U型結構，圖7 顯示了阻尼系數與垂蕩板結構形式的關系。

如圖7 所示，無論是垂蕩或縱搖情況下，U1及U2 的阻尼、阻尼力矩系數均比傳統垂蕩板更高，且U2 的阻尼、阻尼力矩系數最高。分析原因可知，U 型及倒U 型阻尼結構在外徑相同的情況下，阻尼結構兩側增加擋板，一方面能使阻尼結構的邊緣更突出，運動時有利于促進漩渦形成，耗散能量；另一方面能在運動時使部分水體被局限在凹槽中，增加結構的附連水質量。

圖7 結構形式對阻尼性能的影響

4.3 開孔對阻尼性能的影響

開孔對垂蕩板阻尼性能的影響同樣是本文需要探究的問題。改變開孔直徑，從而改變垂蕩板的開孔率。圖8 顯示了垂蕩和縱搖阻尼性能隨垂蕩板開孔率的變化規律。

由圖8 可以看出，兩個開孔模型垂蕩阻尼和縱搖阻尼力矩系數相比傳統垂蕩板都有所增大。但是開孔率進一步增大后，垂蕩阻尼性能變化幅度不明顯，縱搖阻尼性能反而下降。造成這種現象的原因是開孔率處于一個合適的范圍時，開孔處流體會產生明顯的漩渦，造成能量的耗散。但孔徑、開孔率進一步增大時，流體能在孔中較為自由地流動，開孔處無法有效地誘發漩渦，耗散能量。需要考慮的是阻尼結構上孔徑和開孔率太大不適用于實際建造，所以要將孔徑和開孔率控制在一定范圍內才能得到理想的阻尼性能。

圖8 結構形式對阻尼性能的影響

5 結 論

根據基于CFD 方法，針對設計的不同垂蕩板型式的阻尼結構，研究其阻尼性能，得到主要結論如下。

（1）垂蕩板邊鋒能夠誘發漩渦，從而有效增加垂蕩板的阻尼性能。經典的垂蕩板為平頭的箱型體，本文提出垂蕩板頂板和底板外伸阻尼結構形式，阻尼性能較經典垂蕩板阻尼大幅提升。

（2）U 型及倒U 型阻尼結構的阻尼性能優于傳統垂蕩板型，且倒U 型阻尼結構的阻尼性能更優。采用倒U 型加邊鋒的阻尼結構，可以有效加大阻尼，減小浮式風力機運動。

（3）阻尼板開孔能夠增大垂蕩板的阻尼，但不是開孔率越大越有利，本文的研究表明，孔徑和開孔率控制在一定范圍內有利于提高阻尼結構的阻尼性能。研究表明，在開孔率達到10%左右時，會取得較好的阻尼性能。

（4）阻尼結構的設計是浮式風力機設計一項關鍵技術，尤其大功率浮式風力機，需要設計出高效的阻尼結構控制浮式風力機運動，本文的研究工作已經在大型浮式風力機的設計中得到應用，證明是可行的。