謝云平，徐曉森，胡冬芳，袁雙雙，喻 嵩

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

風(fēng)電運(yùn)維船與風(fēng)機(jī)塔基耦合水動(dòng)力響應(yīng)分析研究

謝云平，徐曉森，胡冬芳，袁雙雙，喻 嵩

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

海上風(fēng)電運(yùn)維船通常采用船首頂靠海上風(fēng)機(jī)塔基靠船樁的方式來(lái)保證風(fēng)機(jī)維護(hù)人員的安全登塔，因此對(duì)其在相應(yīng)海況條件下的縱搖、升沉等水動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析研究很有必要。本文采用Fine/Marine和AQWA軟件，對(duì)某運(yùn)維船在實(shí)際海況條件下的耦合水動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析研究，從而為風(fēng)電維護(hù)人員的安全登離以及輔助登離設(shè)備的研發(fā)提供參考。

海上風(fēng)電；運(yùn)維船；風(fēng)機(jī)塔基；水動(dòng)力響應(yīng)

0 引 言

海上風(fēng)電運(yùn)維船用于維護(hù)人員及小型零部件的運(yùn)輸，其主要包括海上航行和靠離風(fēng)機(jī)塔基 2 個(gè)重要環(huán)節(jié)。目前，運(yùn)維船一般采用頂靠方式供維護(hù)人員登離風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，即船首端頂靠船樁后，人員進(jìn)行登離[1–2]。所以，在風(fēng)、浪、流的作用下，運(yùn)維船的水動(dòng)力運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，尤其是船首端的升沉和縱搖幅值，對(duì)維護(hù)人員的安全登離塔基有著重大的影響。

為此，考慮船與風(fēng)機(jī)塔基之間也存在風(fēng)、浪、流的屏蔽效應(yīng)[3]，本文針對(duì)某運(yùn)維船與風(fēng)機(jī)塔基頂靠耦合模型，通過(guò)施加不同的浪高和風(fēng)速，來(lái)分析研究風(fēng)浪不同作用角度時(shí)運(yùn)維船船首端的升沉和縱搖幅值，并依據(jù)許可升沉幅值來(lái)確定運(yùn)維船適應(yīng)風(fēng)浪的能力，進(jìn)而為風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維船的安全使用提供一定的參考。

1 模型及相關(guān)參數(shù)的確定

1.1 船模及海上風(fēng)機(jī)塔基耦合模型

波浪傳播過(guò)程中與大尺度結(jié)構(gòu)物相遇時(shí)，由于結(jié)構(gòu)物的影響，會(huì)產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，即波浪的一部分能量被結(jié)構(gòu)物阻擋，另一部分能量從結(jié)構(gòu)物側(cè)面繞過(guò)，傳入結(jié)構(gòu)物后面的水域中。對(duì)于大尺度結(jié)構(gòu)物對(duì)波浪場(chǎng)的影響以及波浪力的計(jì)算等，都需要研究波浪繞射問(wèn)題。

考慮本研究風(fēng)電塔基（水面處直徑5.2 m）相對(duì)于運(yùn)維船尺度（見(jiàn)表1）較大，為此需針對(duì)耦合模型（見(jiàn)圖1）進(jìn)行研究。

風(fēng)機(jī)塔基尺寸的直徑為5.2 m，其耦合模型如圖1所示。

1.2 環(huán)境參數(shù)

本文針對(duì)該風(fēng)電運(yùn)維船能在 3～4 級(jí)海況中工作的使用性能要求，計(jì)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(fēng)速及流速按表2所取。

表1 某風(fēng)電運(yùn)維船相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of the maintenance ship

表2 不同浪向角對(duì)應(yīng)的風(fēng)速和流速Tab.2 The speed of wind and wave at different wave angles

本文采用JONSWAP不規(guī)則譜，波浪的計(jì)算頻率范圍取0.3～4.0 rad/s。JONSWAP中形狀因子 γ 根據(jù)式（1）～式（3）進(jìn)行計(jì)算：

根據(jù)ISSC（1979）給出的計(jì)算式（4）來(lái)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(dá)式為：

式中σ為峰形參數(shù)。當(dāng)ω≤ωP時(shí)，取σ=0.07；當(dāng)ω＞ωP時(shí)，取σ=0.09。

由計(jì)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(rèn)為在顯著性水平為0.01的情況下，Y對(duì)X1和X2的線性關(guān)系顯著，模型可通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。將式(3)和式(4)帶入式(5)中，即可得到關(guān)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(shù)Tab.3 Parameters of wave spectrum at different significant wave heights

1.3 其他參數(shù)

風(fēng)機(jī)塔基與船首的頂靠處設(shè)有橡膠作緩沖之用，其摩擦系數(shù)是水動(dòng)力響應(yīng)模擬的重要參數(shù)之一，根據(jù)相關(guān)手冊(cè)，橡膠與鋼的摩擦系數(shù)約為0.8（超出AQWA設(shè)定的上限值0.5），最終計(jì)算時(shí)橡膠的摩擦系數(shù)取為0.5。

此外，頂靠時(shí)的推力是另一重要參數(shù)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，本運(yùn)維船系柱推力為50 kN。

2 風(fēng)流力系數(shù)及粘性阻尼數(shù)值仿真

本文采用CFD數(shù)值仿真軟件Fine/Marine進(jìn)行風(fēng)流力系數(shù)計(jì)算，由于AQWA為基于勢(shì)流理論的水動(dòng)力分析軟件，沒(méi)有考慮水的粘性阻尼，通常通過(guò)CFD或者模型試驗(yàn)方法獲得，作為水動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算的輸入。所以本文同樣采用Fine/Marine模擬運(yùn)維船垂蕩及縱搖的自由衰減，從而得到粘性阻尼。

2.1 風(fēng)流力系數(shù)

把船與塔基模型導(dǎo)入進(jìn)Fine/Marine軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)不同的浪向角（0°，45°，90°）進(jìn)行計(jì)算。由于AQWA計(jì)算文件中的風(fēng)流力系數(shù)為力或力矩除以速度的平方，經(jīng)計(jì)算整理得到各工況的風(fēng)力系數(shù)及流力系數(shù)如表4所示。

表4 某一風(fēng)速及流速時(shí)不同浪向角的風(fēng)流力系數(shù)Tab.4 Drag coefficients of wind and wave at different wave angles

2.2 粘性阻尼

浮式結(jié)構(gòu)物的六自由度運(yùn)動(dòng)中，橫搖、縱搖和垂蕩方向有靜恢復(fù)力或力矩，在平衡位置時(shí)，外力作用會(huì)使系統(tǒng)偏離平衡位置，當(dāng)外力停止作用后，由于系統(tǒng)的靜恢復(fù)力和力矩的作用，系統(tǒng)會(huì)繞原來(lái)的平衡位置產(chǎn)生單純的周期性搖蕩衰減運(yùn)動(dòng)。通過(guò)記錄搖蕩衰減時(shí)歷曲線，可以得出系統(tǒng)的固有頻率和無(wú)因次阻尼系數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程為[4]：

式中：M為浮式結(jié)構(gòu)物總質(zhì)量（包括附加質(zhì)量）；C 為系統(tǒng)阻尼系數(shù)； K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣。

確定系統(tǒng)阻尼的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是測(cè)量系統(tǒng)的衰減率，常用衰減系數(shù)的自然對(duì)數(shù)表示振幅的衰減率：

式中：δ 為對(duì)數(shù)衰減率；Ai和Ai+N為第i個(gè)和第i+N個(gè)振幅值。

ζ 為阻尼比，可用對(duì)數(shù)衰減率δ表示為：

同樣，系統(tǒng)的固有周期可由衰減曲線獲得：

式中：T為系統(tǒng)固有周期；tk+i和tk為第k+i個(gè)和第k個(gè)振幅對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

臨界阻尼為CC=2mλ，λ為固有頻率，阻尼系數(shù)C=CCζ。回復(fù)剛度為：垂蕩，橫搖，縱搖。根據(jù)以上原理，在Fine/Marine中進(jìn)行仿真計(jì)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(jì)算得到的圖形，經(jīng)過(guò)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(dòng)力響應(yīng)計(jì)算

本文針對(duì)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(fēng)速及風(fēng)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(jìn)行運(yùn)維船的水動(dòng)力響應(yīng)分析計(jì)算，利用LINE與DRIFT模塊分別計(jì)算頻域分析與時(shí)域分析。

3.1 頻域分析

根據(jù)AQWA-LINE模塊計(jì)算在計(jì)算不同頻率不同入射方向的單位波幅規(guī)則波作用下雙體運(yùn)維船的動(dòng)力響應(yīng)[6]，下面給出六自由度方向的隨波浪頻率變化的響應(yīng)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(xiàn)在低頻。0°和45°時(shí)的縱蕩RAO也是隨著這頻率的增加而減小，而90°時(shí)的RAO呈波浪狀。45°與90°時(shí)的橫搖與首搖RAO先增大后減小，而0°時(shí)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(diǎn)接近，90°時(shí)的峰值頻率稍大。

3.2 時(shí)域分析

海洋中波浪高度是一個(gè)具有零均值、各態(tài)歷經(jīng)的高斯隨機(jī)過(guò)程，浮體對(duì)任意波浪成分的響應(yīng)是這個(gè)成分波波幅的線性函數(shù)并且與它對(duì)其他波浪成分的響應(yīng)獨(dú)立無(wú)關(guān)[7]，因此可以假定浮體對(duì)隨機(jī)波浪的響應(yīng)等于所有組成風(fēng)浪的各單元波的響應(yīng)之和[8]。AQWADRIFT模塊利用LINE模塊計(jì)算的不同頻率、不同入射方向單位波幅作用下的RAO插值計(jì)算得到隨機(jī)波浪作用下平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)。

利用DRIFT模塊的fender功能對(duì)運(yùn)維船首護(hù)舷進(jìn)行數(shù)值模擬，摩擦系數(shù)取0.5，fender直徑取與某護(hù)舷材一致，受力應(yīng)變關(guān)系式取某給定值，并施加航速v=0時(shí)的螺旋槳推力作用在船上，以維持頂靠狀態(tài)。時(shí)域分析采用JOHNSWAP譜，具體參數(shù)如上文所述。由計(jì)算得船首登靠點(diǎn)處z方向的運(yùn)動(dòng)如圖5所示。

由圖6可知，在首部頂靠方式下，浪向角在45°時(shí)，船首端船現(xiàn)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(shí)，其首部升沉最大值基本均在0.6 m以下，符合人員登靠標(biāo)準(zhǔn)。而當(dāng)有義波高大于1.4 m時(shí)，運(yùn)維船僅在0°首部升沉最大值小于0.4 m；在不同波高時(shí)，均出現(xiàn)浪向角在0°首端升沉值最小，45°時(shí)的首端升沉值較大，且大于90°時(shí)的值。首部升沉最大值基本隨著有義波高的增加而變大，當(dāng)有義波高超過(guò)1.4 m時(shí)，運(yùn)動(dòng)幅值增速變快。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于勢(shì)流理論和波浪的繞射理論，結(jié)合計(jì)算流體軟件FINE/Marine和水動(dòng)力分析軟件AQWA，計(jì)算了雙體運(yùn)維船的風(fēng)流力系數(shù)以及粘性阻尼；頻域內(nèi)計(jì)算了運(yùn)維船在單位波幅規(guī)則波作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，分析了它的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)RAO；基于頻域分析結(jié)果，對(duì)運(yùn)維雙體船行時(shí)域耦合動(dòng)力分析，計(jì)算了其在給定不規(guī)則波情況下的動(dòng)力響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

1）船在波浪高度不超過(guò)1.4 m時(shí)，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(shí)，浪向角0°時(shí)運(yùn)動(dòng)幅值較小，45°和90°時(shí)的首端登靠點(diǎn)升沉值較大，且45°時(shí)的值最大；

3）建議參照風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)浪流常年方向資料來(lái)確定風(fēng)機(jī)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(hù)人員登離時(shí)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?yàn)榇霸O(shè)計(jì)。