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(shù)研究中心，上海 201306；2.上海師范大學(xué) 天華學(xué)院，上海 201815；3.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

海上風(fēng)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(fēng)速穩(wěn)定、風(fēng)切變小以及湍流度小等特點(diǎn)，海上風(fēng)電向深海域發(fā)展是大勢所趨，在風(fēng)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(gè)支撐結(jié)構(gòu)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(fēng)能-潮流能集成示范工程中，采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)作為支撐結(jié)構(gòu)的方案較為常見。江俊杰等[8]對提出一種導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，利用導(dǎo)管架基礎(chǔ)內(nèi)部空間進(jìn)行養(yǎng)殖，并對波流耦合作用下整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)證了方案的可行性。高騰飛等[9]通過CFD計(jì)算、APDL命令流和實(shí)驗(yàn)等方法，研究了海洋導(dǎo)管架平臺與垂直軸水輪機(jī)集成的新型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及水動(dòng)力性能。Pasin Plodpradit等[10]對導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行自由振動(dòng)和耦合動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，導(dǎo)管架基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)受環(huán)境載荷、結(jié)構(gòu)剛度的影響顯著。張坤等[11]探討了導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在多載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，揭示了其在極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)特性與失效機(jī)理。Constantine Michailides等[12]基于物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，研究了海上風(fēng)浪耦合時(shí)域數(shù)值模型在不同運(yùn)行工況下的性能。Saleh Jalbi等[13]發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了通過優(yōu)化導(dǎo)管架基礎(chǔ)豎向剛度與上部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度之比、導(dǎo)管架—塔架幾何結(jié)構(gòu)的長寬比，可以有效控制導(dǎo)管架基礎(chǔ)的搖擺頻率。

本文提出一種導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，分析集成結(jié)構(gòu)在極端工況下的位移變形量及應(yīng)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(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概述

導(dǎo)管架基礎(chǔ)是海上風(fēng)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(dǎo)管架、鋼樁等組成，具有足夠的剛性，能適應(yīng)復(fù)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(dǎo)管架基礎(chǔ)作為支撐結(jié)構(gòu)，以整合海上風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù)

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

圖1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)三維模型

表1 SL5000風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要相關(guān)參數(shù)

1.2 潮流能裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文選用上海海洋大學(xué)海洋工程研究所設(shè)計(jì)的一臺40W水平軸潮流能裝置，具體參數(shù)如表2。水輪機(jī)主要由葉輪，三相異步永磁電動(dòng)機(jī)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(dǎo)流罩進(jìn)入管道內(nèi)，沖擊水輪機(jī)葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)內(nèi)置的三相異步永磁電機(jī)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(dǎo)管架基礎(chǔ)的鋼材為DH36高強(qiáng)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(qiáng)度為σs=335MPa，抗拉強(qiáng)度490～620MPa。水平軸潮流能裝置的導(dǎo)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(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與潮流能裝置均處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中工作，在運(yùn)行過程中除了受到自身重量載荷，還受到風(fēng)、浪、流載荷等其他海洋環(huán)境荷載[17]。本文研究的導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(fēng)載荷

目前，研究風(fēng)機(jī)葉輪所受風(fēng)荷載的方法主要有動(dòng)量理論和葉素理論，動(dòng)量理論用來描述作用在葉輪上的力與風(fēng)速之間的關(guān)系[18]，本文根據(jù)動(dòng)量理論，施加在風(fēng)機(jī)上的載荷PH的計(jì)算公式如式(1)所示：

式(1)中，CFB為相關(guān)系數(shù)，根據(jù)動(dòng)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(fēng)速，A為有效掃風(fēng)面積。

對于塔筒結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)載荷，本文選擇在定常風(fēng)情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)動(dòng)量定理，在一定高度Z處，作用在塔筒上的單位長度風(fēng)荷載大小為f(z)，其表達(dá)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(fēng)速。

2.2 波浪載荷

海水受到海風(fēng)和氣壓變化的影響，形成周期性的起伏運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波浪，波浪載荷在海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)及力學(xué)分析中是非常重要的因素，其載荷計(jì)算可采用Morison方程推導(dǎo)出，表達(dá)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(diǎn)的水平方向速度。本文設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)，海流載荷是指由海流作用在海洋工程結(jié)構(gòu)上而產(chǎn)生的載荷，它主要是由于風(fēng)的拖曳、潮流的作用等引起的[19]。對于導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下部分所受的海流載荷可參考Morison公式來計(jì)算，表達(dá)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(shè)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(shí)設(shè)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(jié)果

將建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，利用Fluent流體仿真模塊對水平軸水輪機(jī)和導(dǎo)管架水下部分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究極端流速下葉輪的水動(dòng)力性能及導(dǎo)管架水下部分的流場分布，并計(jì)算出兩個(gè)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(jī)的流場載荷分析

水輪機(jī)是水平軸潮流能裝置的關(guān)鍵部件之一，在Solidworks2018軟件中建立水輪機(jī)模型，葉片數(shù)量為4，葉輪旋轉(zhuǎn)半徑為2.0m，設(shè)置轉(zhuǎn)速為40rpm，導(dǎo)入Mesh中劃分網(wǎng)格。由于水輪機(jī)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(jì)算中，模擬水輪機(jī)附近的流場變化，再通過Fluent計(jì)算其流體總壓力。圖4為水輪機(jī)網(wǎng)格模型。

圖4 水輪機(jī)網(wǎng)格模型

如圖5所示，壓力較大部分出現(xiàn)在水輪機(jī)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(jī)在極端工況下，葉輪周圍的漩渦軌跡平穩(wěn)，說明此時(shí)獲能效率較高，同時(shí)仿真結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)論相符合[21]。通過Fluent計(jì)算得出水輪機(jī)在極端海流速度下受到的流體總壓力為43.927KN。

圖5 水輪機(jī)的流場分析

3.2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的流場載荷分析

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

圖6 導(dǎo)管架基礎(chǔ)網(wǎng)格模型

由圖7可觀察到，導(dǎo)管架迎流處面受到的載荷壓力比較大，且最大值為4.07Kpa，導(dǎo)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(dǎo)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(jì)算得出，當(dāng)流速為2.12m/s時(shí)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下部分的總流體壓力為1090KN。

圖7 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的流場變化

4 有限元分析及結(jié)果

海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)與潮流能裝置集成利用，水輪機(jī)受到的潮流載荷將會(huì)附加到導(dǎo)管架基礎(chǔ)上，因此可以考慮用ANSYS-APDL模塊建立有限元模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。綜合分析極端工況下，導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的強(qiáng)度、剛度，確保整個(gè)集成結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

4.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型的建立

整個(gè)導(dǎo)管架基礎(chǔ)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(dǎo)管架進(jìn)行模擬，根據(jù)這四種單元的順序?qū)φ麄€(gè)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成計(jì)算分析的有限元模型，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)管架的有限元模型

4.2 靜力分析及結(jié)果

在對導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行靜力分析之前，需要對相位角進(jìn)行360度的搜索，找到波浪入射角為0°、45°時(shí)，波流耦合力達(dá)到極值時(shí)的相位角取值[22]，然后利用MATLAB軟件將分析結(jié)果擬合成波流耦合力—相位角關(guān)系曲線。

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

圖9 波流耦合力—相位角關(guān)系曲線

將建立的導(dǎo)管架平臺模型讀入Mechanical APDL程序中，選擇Solution，建立New Analysis，設(shè)置分析類型為Static，再將導(dǎo)管架四個(gè)樁腿進(jìn)行位移約束，同時(shí)對整個(gè)結(jié)構(gòu)施加波流載荷并定義重力場，最后進(jìn)入Solve中的Current LS求解計(jì)算模塊。在后處理界面中打開位移云圖和單元等效應(yīng)力云圖，如圖10、圖11所示。

圖10 位移云圖

圖11 等效應(yīng)力云圖

由圖10～圖11可知，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大的位移發(fā)生在塔筒與風(fēng)機(jī)的連接處，最大位移數(shù)值為0.313m，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為122MPa，發(fā)生在導(dǎo)管架樁腿的底部位置。

4.3 模態(tài)分析及結(jié)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(jì)算，可以求解得到導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型，其分析結(jié)果可以作為瞬態(tài)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)[23]。進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，需重新進(jìn)入ANSYS求解器，選擇Solution，建立New Analysis，設(shè)置分析類型為Modal。通過計(jì)算得到的前10階自振頻率結(jié)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(dǎo)管架基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的前兩階振型都是塔筒的擺動(dòng)較為明顯，到了第三階振型才出現(xiàn)導(dǎo)管架基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，第五階導(dǎo)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(lì)作用下，響應(yīng)所占的權(quán)值大一些，所以也最危險(xiǎn)。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(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(dòng)力分析及結(jié)果

波流載荷是一種隨時(shí)間變化的載荷，對導(dǎo)管架基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)影響較大，所以本節(jié)將進(jìn)行波流載荷沖擊下導(dǎo)管架基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)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(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析，設(shè)置瞬態(tài)動(dòng)力的時(shí)程分析作用時(shí)間為200s，時(shí)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(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析時(shí)設(shè)置以上參數(shù)，并對導(dǎo)管架四個(gè)樁腿進(jìn)行位移約束，對整體結(jié)構(gòu)施加重力載荷。設(shè)置完之后對其進(jìn)行solution求解，進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器，繪制應(yīng)力和位移隨時(shí)程變化的曲線。

由圖13可知，在波流作用的前三個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移大幅度波動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)頻率較大，應(yīng)力相對集中。從第四周期開始，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移呈周期變化，與波浪周期近似。

圖13 導(dǎo)管架基礎(chǔ)時(shí)程曲線圖

4.5 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)載荷分析

水平軸潮流能裝置通過四根鉸鏈安裝固定在導(dǎo)管架基礎(chǔ)的四根支撐管樁上，如圖14所示。在海水中，導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)主要受到海流載荷作用，海面以上主要受到風(fēng)載荷與波浪載荷作用，在極端工況下，入射相位角為71°，風(fēng)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(jī)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)流場載荷數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中綜合計(jì)算求解，探究集成結(jié)構(gòu)受力情況，得到集成結(jié)構(gòu)位移云圖及等效應(yīng)力云圖。

圖14 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力為77.3Mpa，發(fā)生在樁柱與水輪機(jī)連接處，最大位移為0.232m，發(fā)生在塔筒頂部，整個(gè)集成結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)部分沒有發(fā)生嚴(yán)重變形，基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖15 位移云圖

圖16 等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)語

1）利用FLUENT計(jì)算仿真，在極端流速2.12m/s下，水輪機(jī)所受最大壓力為43.927KN，導(dǎo)管架基礎(chǔ)所受最大壓力為1090KN。

2）選取Block Lanzcos法進(jìn)行模態(tài)提取分析，得到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)一階振型的頻率為0.4859Hz，未達(dá)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(jié)構(gòu)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(shí)還可以得到此結(jié)構(gòu)的最大有效應(yīng)力為77.3MPa，滿足結(jié)構(gòu)所用鋼材的屈服強(qiáng)度。

4）通過加裝水平軸潮流能裝置后，導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)最大位移由0.313m減少至0.232m，降低25.9%，最大有效應(yīng)力由122Mpa減少至77.3Mpa，降低36.7%，這說明水平軸水輪機(jī)工作時(shí)形成的擾流能分散部分潮流對導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平?jīng)_擊力。