極端工況下導管架基礎風能-潮流能集成結構的研究

王世明，丁成林，吳愛平，馮凱亮，潘 健

（1.上海海洋可再生能源工程技術研究中心，上海 201306；2.上海師范大學 天華學院，上海 201815；3.上海海洋大學 工程學院，上海 201306）

0 引言

海上風力發(fā)電與潮流能發(fā)電作為兩種可持續(xù)的綠色發(fā)電方式，正逐漸替代傳統(tǒng)能源發(fā)電模式。由于深海域風速穩(wěn)定、風切變小以及湍流度小等特點，海上風電向深海域發(fā)展是大勢所趨，在風能豐富的水域，潮流能資源也相對富集，如果將兩者的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)集成在同一個支撐結構上，不但可以有效地利用海域空間，還有利于其商業(yè)化發(fā)展。

目前，國內(nèi)外對海洋可再生能源集成利用研究處于初步探索階段，在已有的風能-潮流能集成示范工程中，采用導管架基礎作為支撐結構的方案較為常見。江俊杰等[8]對提出一種導管架風機基礎與養(yǎng)殖網(wǎng)箱結合的設計方案，利用導管架基礎內(nèi)部空間進行養(yǎng)殖，并對波流耦合作用下整體結構進行靜力分析，驗證了方案的可行性。高騰飛等[9]通過CFD計算、APDL命令流和實驗等方法，研究了海洋導管架平臺與垂直軸水輪機集成的新型結構的強度、剛度及水動力性能。Pasin Plodpradit等[10]對導管架基礎進行自由振動和耦合動力學分析，結果表明，導管架基礎動力響應受環(huán)境載荷、結構剛度的影響顯著。張坤等[11]探討了導管架結構在多載荷作用下的動力響應特性，揭示了其在極端環(huán)境下的結構特性與失效機理。Constantine Michailides等[12]基于物理模型試驗和數(shù)值分析的基礎上，研究了海上風浪耦合時域數(shù)值模型在不同運行工況下的性能。Saleh Jalbi等[13]發(fā)現(xiàn)并驗證了通過優(yōu)化導管架基礎豎向剛度與上部結構側向剛度之比、導管架—塔架幾何結構的長寬比，可以有效控制導管架基礎的搖擺頻率。

本文提出一種導管架基礎風能-潮流能集成結構，采用ANSYS軟件進行仿真計算，分析集成結構在極端工況下的位移變形量及應力分布情況，為海上多能源集成發(fā)電研究提供理論依據(jù)。

1 導管架基礎風能-潮流能集成結構系統(tǒng)概述

導管架基礎是海上風電平臺的主要形式，上部主要由甲板、梁等組成，下部主要由導管架、鋼樁等組成，具有足夠的剛性，能適應復雜的海洋環(huán)境。潮流能具有較高的能量密度，在海洋能利用開發(fā)上擁有巨大的潛力[14]。將導管架基礎作為支撐結構，以整合海上風電、潮流能發(fā)電，建立更高效的海上多能源集成發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 風力發(fā)電機組結構參數(shù)

以上海東海風電場5MW大容量樣機工程為背景，本文選用華銳風電科技有限公司制造的SL5000風機組，該風機組主要由機艙、輪轂、葉片、塔筒和基礎五部分組成，其中塔筒重約366t，機艙重約281t，輪轂重約60t，葉片重約23t（3個葉片），四根樁腿在每個側面由六個斜撐導管呈X型交叉連接，底端尺寸為27m×27m，頂部尺寸為14m×14m，導管架外徑為1.6m，壁厚為0.034m，斜撐導管外徑為0.8m，壁厚為0.025m，具體參數(shù)如表1所示[15]，導管架基礎三維模型如圖1所示。本文所選用的基礎形式為導管架基礎，對于發(fā)電機組系統(tǒng)（發(fā)電機組、輪轂和葉片）本文不作詳細研究，均簡化成質(zhì)量點進行計算。

圖1 導管架基礎三維模型

表1 SL5000風力發(fā)電機組主要相關參數(shù)

1.2 潮流能裝置結構參數(shù)

本文選用上海海洋大學海洋工程研究所設計的一臺40W水平軸潮流能裝置，具體參數(shù)如表2。水輪機主要由葉輪，三相異步永磁電動機和管道組成，其三維模型如圖2所示。其發(fā)電原理是潮流通過兩端的導流罩進入管道內(nèi)，沖擊水輪機葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)啟動內(nèi)置的三相異步永磁電機發(fā)電[16]。

表2 水平軸潮流能裝置主要參數(shù)

圖2 潮流能裝置三維模型

1.3 材料參數(shù)

用于導管架基礎的鋼材為DH36高強度鋼，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，屈服強度為σs=335MPa，抗拉強度490～620MPa。水平軸潮流能裝置的導流罩及葉輪所采用的鋼材型號均為45鋼，密度7.85x103kg/m3，泊松比0.31，彈性模量2.1×105MPa。

2 載荷工況

導管架風機基礎與潮流能裝置均處于復雜的海洋環(huán)境中工作，在運行過程中除了受到自身重量載荷，還受到風、浪、流載荷等其他海洋環(huán)境荷載[17]。本文研究的導管架風機基礎位于我國東海某海域，該海域無冰凍情況，且地震發(fā)生概率極小，所以冰載荷與地震載荷的分析在本文中未作考慮。

2.1 風載荷

目前，研究風機葉輪所受風荷載的方法主要有動量理論和葉素理論，動量理論用來描述作用在葉輪上的力與風速之間的關系[18]，本文根據(jù)動量理論，施加在風機上的載荷PH的計算公式如式(1)所示：

式(1)中，CFB為相關系數(shù)，根據(jù)動量定理中的Bezt理論，一般取8/9；ρ為空氣密度，一般取1.297kg/m，Vr為額定風速，A為有效掃風面積。

對于塔筒結構所受的風載荷，本文選擇在定常風情況下進行數(shù)值模擬。根據(jù)動量定理，在一定高度Z處，作用在塔筒上的單位長度風荷載大小為f(z)，其表達式如下：

Cd為阻力系數(shù)，一般取值1.2，ρ為空氣密度，一般取1.297kg/m，D為塔筒截面直徑，Vz為高度為z處的風速。

2.2 波浪載荷

海水受到海風和氣壓變化的影響，形成周期性的起伏運動產(chǎn)生波浪，波浪載荷在海洋工程結構物的設計及力學分析中是非常重要的因素，其載荷計算可采用Morison方程推導出，表達式如式(3)所示：

式(3)中，fw為垂直于管樁上的波浪力，CD為拖曳力系數(shù)，CM為慣性力系數(shù)，ρw為海水密度，取1.025×103kg/m3，D為樁徑，u為管樁軸線處水質(zhì)點的水平方向速度。本文設計的水深為50m，參考API，DNV采用的Stokes五階波浪理論，取CD=1.0，CM=1.2。

2.3 海流載荷

海流是一種相對穩(wěn)定的海水運動，海流載荷是指由海流作用在海洋工程結構上而產(chǎn)生的載荷，它主要是由于風的拖曳、潮流的作用等引起的[19]。對于導管架基礎水下部分所受的海流載荷可參考Morison公式來計算，表達式如式(4)所示：

式(4)中，F(xiàn)c為圓形樁柱單位長度上的海流力，CD為阻力系數(shù)，ρ為海水密度，D為樁徑，umax為海流的最大流速。

2.4 海域工況

根據(jù)東海某海域水文資料[20]，在海域工況分析中設定極端工況，開展流場載荷分析及有限元分析，本文模擬仿真時設定的載荷參數(shù)如表3所示。

表3 極端工況載荷參數(shù)

3 流場載荷分析及結果

將建立的三維模型導入ANSYS中，利用Fluent流體仿真模塊對水平軸水輪機和導管架水下部分進行數(shù)值計算，研究極端流速下葉輪的水動力性能及導管架水下部分的流場分布，并計算出兩個模型在水中受到的總體壓力，基本流程如圖3所示。

圖3 流暢載荷分析基本流程圖

3.1 水平軸水輪機的流場載荷分析

水輪機是水平軸潮流能裝置的關鍵部件之一，在Solidworks2018軟件中建立水輪機模型，葉片數(shù)量為4，葉輪旋轉(zhuǎn)半徑為2.0m，設置轉(zhuǎn)速為40rpm，導入Mesh中劃分網(wǎng)格。由于水輪機軸心處于海域中層深度位置，所以極端海流速度取表3中2.12m/s代入下列計算中，模擬水輪機附近的流場變化，再通過Fluent計算其流體總壓力。圖4為水輪機網(wǎng)格模型。

圖4 水輪機網(wǎng)格模型

如圖5所示，壓力較大部分出現(xiàn)在水輪機迎流處，大約為4.2KPa，葉片外緣處速度最大，大約為7.87m/s，流體沿著翼型流向改變較小，水輪機在極端工況下，葉輪周圍的漩渦軌跡平穩(wěn)，說明此時獲能效率較高，同時仿真結果也與課題組之前對本文中采用的水平軸潮流能裝置葉輪部分的最優(yōu)流速為2m/s左右的實驗結論相符合[21]。通過Fluent計算得出水輪機在極端海流速度下受到的流體總壓力為43.927KN。

圖5 水輪機的流場分析

3.2 導管架基礎的流場載荷分析

導管架基礎在海水中高度為50m，基礎水下部分受到海流的沖擊，將三維模型導入ANSYS中，并在Mesh中劃分導管架基礎和流體域網(wǎng)格，如圖6所示。設置極限流速2.12m/s，模擬導管架基礎附近的流場分布情況，并計算其流體總壓力。

圖6 導管架基礎網(wǎng)格模型

由圖7可觀察到，導管架迎流處面受到的載荷壓力比較大，且最大值為4.07Kpa，導管架水平截面最大速度4.97m/s，出現(xiàn)在海流表層，而海流底層處的導管架壓力和速度較小，說明波流耦合力隨著水深的增加而減小。通過FLUENT計算得出，當流速為2.12m/s時，導管架基礎水下部分的總流體壓力為1090KN。

圖7 導管架基礎的流場變化

4 有限元分析及結果

海上風機導管架基礎與潮流能裝置集成利用，水輪機受到的潮流載荷將會附加到導管架基礎上，因此可以考慮用ANSYS-APDL模塊建立有限元模型，并進行數(shù)值模擬計算。綜合分析極端工況下，導管架風機基礎的強度、剛度，確保整個集成結構的安全性和可靠性。

4.1 導管架基礎模型的建立

整個導管架基礎模型采用四種單元類型PIPE59、PIPE20、BEAM188及MASS21分別對水下部分、泥下部分、水上部分及塔筒頂部導管架進行模擬，根據(jù)這四種單元的順序?qū)φ麄€幾何模型進行網(wǎng)格劃分，生成計算分析的有限元模型，如圖8所示。

圖8 導管架的有限元模型

4.2 靜力分析及結果

在對導管架基礎進行靜力分析之前，需要對相位角進行360度的搜索，找到波浪入射角為0°、45°時，波流耦合力達到極值時的相位角取值[22]，然后利用MATLAB軟件將分析結果擬合成波流耦合力—相位角關系曲線。

從圖9中可以看出，當波浪入射角為0°時，波流耦合力在相位角為71°時達到極值，為1,402,555N。當波浪入射角為45°時，波流耦合力在相位角為72°時達到極值，為1,377,697N。為了考慮導管架基礎受力的最不利工況，所以取最大相位角71°作為輸入角度進行靜力分析。

圖9 波流耦合力—相位角關系曲線

將建立的導管架平臺模型讀入Mechanical APDL程序中，選擇Solution，建立New Analysis，設置分析類型為Static，再將導管架四個樁腿進行位移約束，同時對整個結構施加波流載荷并定義重力場，最后進入Solve中的Current LS求解計算模塊。在后處理界面中打開位移云圖和單元等效應力云圖，如圖10、圖11所示。

圖10 位移云圖

圖11 等效應力云圖

由圖10～圖11可知，整個結構最大的位移發(fā)生在塔筒與風機的連接處，最大位移數(shù)值為0.313m，結構的最大應力為122MPa，發(fā)生在導管架樁腿的底部位置。

4.3 模態(tài)分析及結果

Block Lanzcos法能很好地處理剛體振型，適用于分析大中型模型。通過模態(tài)分析計算，可以求解得到導管架基礎結構的自然頻率和振型，其分析結果可以作為瞬態(tài)動力分析的基礎[23]。進行模態(tài)計算時，需重新進入ANSYS求解器，選擇Solution，建立New Analysis，設置分析類型為Modal。通過計算得到的前10階自振頻率結果如表4所示，提取前6階并觀察其模態(tài)振型變化，如圖12所示。

表4 導管架基礎前10階固有頻率

圖12 前六階振型圖

由前六階振型圖可以看出，結構的前兩階振型都是塔筒的擺動較為明顯，到了第三階振型才出現(xiàn)導管架基礎下部結構的振動，第五階導管架與潮流能裝置連接部分變形較大。由于低階模態(tài)振幅最大，在同樣量級的激勵作用下，響應所占的權值大一些，所以也最危險。本文所選取的波浪周期為9.8s，波浪荷載頻率0.102Hz，而本文導管架風機基礎第一階模態(tài)自振頻率為0.4859Hz，所以能有效避免共振現(xiàn)象。

4.4 瞬態(tài)動力分析及結果

波流載荷是一種隨時間變化的載荷，對導管架基礎的動力響應影響較大，所以本節(jié)將進行波流載荷沖擊下導管架基礎的結構瞬態(tài)動力分析。根據(jù)模態(tài)分析所得到的阻尼系數(shù)α=0.1737、β=0.003046進行瞬態(tài)動力分析，設置瞬態(tài)動力的時程分析作用時間為200s，時間間隔0.2s，由9可知，該波浪作用力最大作用相位角為71°，作用力的大小為1,402,555N，由此對導管架基礎進行瞬態(tài)動力分析時設置以上參數(shù)，并對導管架四個樁腿進行位移約束，對整體結構施加重力載荷。設置完之后對其進行solution求解，進入時間歷程后處理器，繪制應力和位移隨時程變化的曲線。

由圖13可知，在波流作用的前三個周期內(nèi)，導管架結構的應力和位移大幅度波動，產(chǎn)生的振動頻率較大，應力相對集中。從第四周期開始，導管架結構的應力和位移呈周期變化，與波浪周期近似。

圖13 導管架基礎時程曲線圖

4.5 導管架基礎風能-潮流能集成結構載荷分析

水平軸潮流能裝置通過四根鉸鏈安裝固定在導管架基礎的四根支撐管樁上，如圖14所示。在海水中，導管架基礎風能-潮流能集成結構主要受到海流載荷作用，海面以上主要受到風載荷與波浪載荷作用，在極端工況下，入射相位角為71°，風速25m/，海流流速2.5m/s，載荷具體參數(shù)如表5所示。然后將水輪機和導管架基礎流場載荷數(shù)據(jù)導入ANSYS中綜合計算求解，探究集成結構受力情況，得到集成結構位移云圖及等效應力云圖。

圖14 導管架基礎風能-潮流能集成結構三維模型

表5 極端工況下載荷參數(shù)表

由圖15、圖16可知，集成結構所受最大應力為77.3Mpa，發(fā)生在樁柱與水輪機連接處，最大位移為0.232m，發(fā)生在塔筒頂部，整個集成結構的導管架基礎部分沒有發(fā)生嚴重變形，基本符合設計要求。

圖15 位移云圖

圖16 等效應力云圖

5 結語

1）利用FLUENT計算仿真，在極端流速2.12m/s下，水輪機所受最大壓力為43.927KN，導管架基礎所受最大壓力為1090KN。

2）選取Block Lanzcos法進行模態(tài)提取分析，得到導管架結構一階振型的頻率為0.4859Hz，未達到本文參考的波浪頻率，所以能有效避免共振現(xiàn)象。

3）通過對集成結構施加最大靜荷載，可知最大位移為0.232m，由于塔筒高度為65m，所以最大位移為總高度的0.356%，小于1%，滿足規(guī)定的剛度要求。同時還可以得到此結構的最大有效應力為77.3MPa，滿足結構所用鋼材的屈服強度。

4）通過加裝水平軸潮流能裝置后，導管架風機基礎最大位移由0.313m減少至0.232m，降低25.9%，最大有效應力由122Mpa減少至77.3Mpa，降低36.7%，這說明水平軸水輪機工作時形成的擾流能分散部分潮流對導管架基礎的水平?jīng)_擊力。