波浪載荷作用下浮式風機平臺基礎設計及運動響應研究

茅蓉蓉

（江蘇航運職業技術學院,江蘇 南通 226010）

風能作為一種可再生能源，具有蘊藏量大、清潔等諸多優點，已成為新能源開發不可忽視的領域之一，不僅滿足國家可持續發展的戰略需求，亦是我國實現“碳中和”目標的重要支撐[1]。目前淺海資源開發逐漸趨于飽和，深海風資源豐富，我國海上風電逐漸向深海發展[2]。漂浮式海上風力機作為深遠海風能開發的必要技術手段，已成為目前海上風能利用研究的重要方向。

張劍鋒等[3]建立了半潛式平臺的運動數學模型，利用ANSYS AQWA軟件分析了平臺的動態響應，驗證了平臺系泊系統的可靠性。施偉等[4]以南海海況下半潛浮式風機為研究背景，采用ANSYS AQWA分析軟件，對浮式風機在南海典型海況下的動力學響應進行了分析,探究了故障工況下半潛式平臺的動力學響應。周紅杰等[5]利用ANSYS AQWA水動力分析軟件對NREL（美國國家可再生能源實驗室）5MW的半潛式浮式風機進行動態響應數值模擬分析，研究了波浪對平臺運動的影響。綜上，ANSYS AQWA商業軟件作為漂浮式海工結構水動力學數值計算專業工具，受到廣大研究者的青睞。

相較于傳統固定式風機，浮式風機所處的外部環境及其載荷更加惡劣，對于運動響應的預測難度更大，因此漂浮式海上風力機結構的安全性能成為研究重點與難題[6]。為了提高浮式風機平臺的穩定性，透孔型結構常被應用于結構物設計來達到消波的目的[7]，例如透孔型垂蕩板、圓筒狀消波裝置等。

柳淑學[8]為研究開孔對垂蕩板水動力特性的影響，采用強迫振動試驗方法對不同開孔率的垂蕩板的附加質量系數和黏性阻尼系數進行了研究，對相同開孔率不同開孔孔徑垂蕩板的水動力特性進行了比較分析。陸志強[9]探究了不同倒角開孔數的垂蕩板對單浮筒的水動力響應特性，以試驗和數值模擬對比論證的方法得到規律結果，研究結果表明在高頻大波高的情況下，開孔的減蕩裝置相對不開孔模型有著更好的減蕩效果。Chakrabarti[10]提出一種優化平臺垂蕩響應的方法，即在半潛式平臺上加裝桁架式浮筒結構，研究發現加裝桁架式浮筒結構在系統垂直方向運動中引入了較大的附加質量和阻尼，從而改善共振問題對結構物造成的不利影響。Srinivasan[11]將流體動力加重質量和分離流阻尼的概念應用于大型深水平臺設計中，選取加裝桁架式浮箱結構的半潛浮式平臺進行實驗，研究結果表明垂蕩RAO的幅值只在固有周期附近出現，其他的RAO響應均相對降低。

本文以5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺[12]作為研究對象，根據半潛浮式風機平臺結構特性，研發了一種可以提高消波、吸波性能的帶透孔的筒狀消波裝置。利用商業軟件ANSYS AQWA建立半潛浮式平臺加裝消波裝置的耦合模型，并進行數值模擬，對消波裝置的減搖效果進行了研究分析，其結果能夠反映消波裝置對平臺結構的影響，為平臺的設計制造提供參考意見。

1 數值方法

1.1 波浪載荷

根據三維勢流理論，入射波速度勢可由線形波理論（也稱Airy波浪理論）求解。Airy波理論適用于各種水深，具備良好的適應性。本文采用Airy波理論建立波浪模型，假設流體為均勻、不可壓縮、無黏、無旋的理想流體，自由液面表面氣壓等于大氣壓；流體受到的質量力僅考慮重力；流體質點處于緩慢運動中，且波浪的振幅遠小于波長[13]。令坐標軸原點位于靜水面上，z軸正方向為垂直向上，可以得到該坐標系下的Airy波波面方程：

式（1）中，η為波面高度；A為波幅；β為波向角；x、y為描述水質點位置的坐標。在無限水深的情況下，Airy波的彌散關系如下：

半潛浮式風機平臺是大尺度構件，波浪對平臺的作用力分為波浪激振力和輻射力。求得流體輻射勢和繞射勢，通過伯努利方程得到作用在浮體濕表面各點上的線性動水壓力[15]：

對流體動壓力沿平臺結構表面積分，獲得作用于平臺的水動力和力矩如下：

1.2 運動方程

根據剛體動力學理論，當平臺工作的工況為規則波時，半潛式風機浮式平臺的時域運動方程表達式為

2 浮式平臺加裝消波裝置耦合系統設計

2.1 模型參數

本文采用美國國家可再生能源（NREL）設計的5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺作為研究對象，研究不涉及風的影響，盡管計算模型不帶有風力渦輪機，但考慮到了整體浮式風機系統的質量、重心、轉動慣量等屬性。5MW OC4-DeepCwind平臺系統的主要參數見下表1半潛式平臺模型，主尺度如圖1所示。

圖1 平臺模型主視圖

表1 半潛式浮式平臺參數

2.2 系泊系統及其參數

為模擬浮式海洋平臺動力定位，并對浮式海洋平臺水平方向運動進行一定的約束，采用3根水平系泊纜系固于浮式平臺3個立柱上，相鄰系泊纜之間呈120°夾角。系泊系數如表2所示，系泊方式示意圖如圖2所示。

圖2 系泊方式

表2 系泊系數

2.3 消波裝置設計

在原始半潛浮式平臺上加裝一種可以提高消波、吸波性能的帶透孔的筒狀結構，根據5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺的主要參數，初步確定了消波裝置的基礎尺度參數，取孔的直徑為5 m，孔間距為1.5 m，并將其固定在立柱下端，對加裝優化結構后的浮式平臺進行水動力分析，探究優化后的平臺能否達到消波的作用。加裝消波裝置后的半潛浮式平臺結構示意圖如圖3～圖5所示。

圖3 加裝消波裝置平臺主視圖

圖4 加裝消波裝置平臺俯視圖

圖5 加裝消波裝置平臺側視圖

3 優化平臺水動力性能分析

本文應用ANSNY AQWA軟件分別對5MW OC4-DeepCwind（以下簡稱OC4）原始半潛浮式平臺和加裝消波裝置平臺進行建模和水動力性能分析，通過數值模擬結果對比，探究筒狀消波裝置能否對平臺起到消波減搖的作用。對于上述兩種浮式平臺，設定規則波工況條件如下：（1）來浪角度0°～315°，每隔45°設置一個計算方向；（2）浪高11.3 m、波浪周期為11.8 s；（3）平臺工作水深為200 m。

3.1 平臺加速度響應分析

在浮式平臺在風浪作用下，平臺重心位置在橫向和縱向的加速度比較大，因此在數值計算時，分別提取在縱蕩、橫蕩兩個方向的加速度。OC4原始半潛浮式平臺和加裝消波裝置平臺在縱蕩、橫蕩方向最大加速度以及水平方向的最大合加速度如圖6所示。

圖6 兩種平臺的縱蕩、橫蕩、水平方向最大加速度對比

從兩種平臺的縱蕩方向最大加速度對比圖可以得知：

（1）當浪向角設置為45°時，原平臺水平方向最大加速度最小，為1.23 m/s2；

（2）當浪向角設置為90°時，加裝消波裝置平臺水平方向最大加速度最小，為1.27 m/s2；

（3）當浪向角設置為0°時，原平臺和加裝消波裝置平臺水平方向最大加速度均最大，分別為1.50 m/s2、1.73 m/s2；

（4）當浪向角設置為45°、90°、225°、270°、315°時，兩種平臺水平方向最大加速度較小，平臺瞬時運動較為穩定；

（5）當浪向角設置為0°、135°、180°時，兩種平臺水平方向最大加速度較大，平臺瞬時運動較為劇烈，較大的運動響應會導致風機平臺發電效率下降等問題。

整體而言，加裝消波裝置平臺水平橫蕩最大加速度、縱蕩最大加速度、水平方向最大加速度變化趨勢基本與原平臺保持一致，因此外加消波裝置對水平方向加速度影響不大。

3.2 系泊纜張力分析

通過對原平臺和加裝消波裝置平臺的三根系泊纜繩張力進行監測，研究纜繩在不同浪向角環境載荷作用下張力情況，原平臺和加裝消波裝置平臺的系泊纜最大張力如圖7所示。

圖7 兩種平臺系泊纜最大張力對比

通過對兩種平臺系泊纜最大張力數據分析可得：

（1）由于兩種平臺均為關于中線面對稱布置，所以當環境載荷變化時，系泊纜所受張力同樣呈對稱性，系泊纜最大張力隨浪向角變化規律一致；

（2）與原平臺相比，加裝消波裝置平臺的系泊纜最大張力變化范圍更小，分布更均勻，且均保持在系泊纜繩可承受范圍內，故在不同浪向角情況下加裝消波裝置平臺均可處于安全工作狀態。

3.3 平臺六自由度運動響應分析

對原平臺和加裝消波裝置平臺的六自由度運動響應進行數值模擬，原平臺和加裝消波裝置平臺的六自由度運動響應幅值如圖8所示。

圖8 兩種平臺的六自由度運動響應幅值對比

通過兩種平臺的六自由度運動響應幅值對比可知，加裝消波裝置在橫搖自由度上的減搖效果最為顯著。當浪向角為90°時，加裝消波裝置平臺的最大橫搖運動幅值減小90.17%，在其他浪向角下，橫搖運動幅值均有不同程度的減小；在縱搖自由度上，當浪向角為90°時，最大縱搖運動幅值減小80.40%；在各浪向角情況下，加裝消波裝置對平臺橫蕩、縱蕩、垂蕩、艏搖自由度運動的影響較小。綜上所述，加裝消波裝置對半潛浮式平臺的搖晃抑制以及平臺整體水動力性能優化具有顯著效果。

4 結論

本文根據5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺的結構特性，研發了一種帶透孔的筒狀消波裝置?；谌S勢流理論、Morison理論和波浪理論，利用商業軟件ANSYS AQWA建立半潛浮式平臺加裝消波裝置的耦合模型，并在一定海況下對原平臺和加裝消波裝置平臺的水動力性能進行對比分析，得出以下研究結論：

（1）在相同波浪工況下，外加消波裝置對平臺水平方向加速度的影響極?。慌c原平臺相比，加裝消波裝置平臺的系泊纜最大張力變化范圍更小，分布更均勻，且均保持在系泊纜繩可承受范圍內，故在不同浪向角情況下加裝消波裝置平臺均可處于安全工作狀態。

（2）在平臺運動響應方面，消波裝置的搖晃抑制作用主要體現在平臺的橫搖運動上，當浪向角為90°時，加裝消波裝置平臺的最大橫搖運動幅值較原平臺減小90.17%，加裝消波裝置平臺表現出優于原平臺的水動力性能。

（3）使用ANSYS AQWA軟件，采用時域分析方法可較好模擬平臺在規則波工況下的運動響應變化趨勢，但響應幅值與實際值還存在差距。若要更準確地預報平臺運動響應、分析加裝消波裝置對平臺運動產生的減搖機理，還應綜合考慮黏性阻尼等因素，并進一步探究強非線性載荷下加裝消波裝置對平臺水動力性能產生的影響。