張英超,畢春偉,趙云鵬

(1大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室,遼寧 大連 116024;2中國海洋大學水產(chǎn)學院,山東 青島 266003)

中國不僅是人口大國,也是背陸面海的海洋大國。為了踐行大食物觀,構(gòu)建農(nóng)林牧漁結(jié)合的多元化食物供給體系,發(fā)展養(yǎng)殖漁業(yè)刻不容緩。近海的漁業(yè)資源已被過度開發(fā),種質(zhì)退化、海水富營養(yǎng)化等問題嚴重,亟需拓展水產(chǎn)養(yǎng)殖新空間,發(fā)展深遠海綠色養(yǎng)殖[1-4]。國內(nèi)外學者對深遠海養(yǎng)殖裝備已開展了較多研究[5-10]。

然而發(fā)展深遠海養(yǎng)殖面臨諸多困難,最顯著的問題是供電難題。使用柴油發(fā)電機或從內(nèi)陸鋪設(shè)海底電纜會增加資金投入,不符合可持續(xù)發(fā)展需求[11],解決深遠海養(yǎng)殖設(shè)施的供電難題迫在眉睫。當今海上浮式風機正處于高速發(fā)展期。與近海相比,深遠海風資源更豐富,能夠集中建設(shè)大規(guī)模風電場,同時可減少對近海生態(tài)系統(tǒng)的影響。近年來,諸多學者通過模型試驗與數(shù)值模擬對海上浮式風機進行了研究[12-14]。但海上風電的開發(fā)成本隨水深的增大顯著增加,而且海上風電的國家補貼已正式取消[15-17]。亟需另辟蹊徑,尋求海上風電的可持續(xù)發(fā)展道路。浮式養(yǎng)殖平臺與海上浮式風機結(jié)構(gòu)相似,都包括浮式基礎(chǔ)與系泊系統(tǒng),可將兩者進行結(jié)合。王亞坡等[18-19]將半潛式風機和垂蕩式波浪能裝置結(jié)合,設(shè)計了半潛式平臺的風-浪能集成系統(tǒng)。Lei等[20]設(shè)計了Spar型的FOWT-SFFC,該結(jié)構(gòu)上層為水平軸風機、下層為八邊形網(wǎng)箱。Zheng等[21]設(shè)計了帶有金屬框架網(wǎng)箱的浮式垂直軸風機,通過水池試驗研究了風浪荷載作用下結(jié)構(gòu)的水動力特性。目前,風漁融合模式仍處于探索階段,對風漁融合新型結(jié)構(gòu)的試驗研究較為匱乏。

本研究設(shè)計的浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺是集合深海養(yǎng)殖與海上風電的新型結(jié)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)“以漁養(yǎng)電、以電養(yǎng)魚”。同時,采用垂直軸風機可提高綜合平臺的防傾覆能力、減少前排風機對后排風機的尾流影響[22]。綜合平臺工作區(qū)域為開放性海域,作業(yè)環(huán)境惡劣,因此結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要。

本研究通過物理模型試驗,在規(guī)則波作用下,探究了波高和周期對綜合平臺運動幅值和系泊力的影響。以期為風漁融合新型結(jié)構(gòu)的研發(fā)設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 物理模型試驗

1.1 物理模型試驗相似準則

浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺是一個復雜的系統(tǒng),既包括大尺度結(jié)構(gòu)(如垂直軸風機、浮架系統(tǒng)等),也包括小尺度結(jié)構(gòu)(如網(wǎng)衣系統(tǒng))。在進行物理模型試驗時,采用統(tǒng)一的相似比尺設(shè)計試驗模型是難以實現(xiàn)的。為了減少比尺效應對試驗結(jié)果的影響,對于大尺度結(jié)構(gòu),設(shè)定模型比尺為1∶100、時間比尺為1∶10、動力相似比尺為1∶106。對于小尺度結(jié)構(gòu),本研究采用李玉成等[23]、桂福坤等[24]提出的網(wǎng)衣變尺度相似準則,即網(wǎng)衣的輪廓尺寸采用大比尺1∶100,網(wǎng)目大小和網(wǎng)線直徑采用小比尺1∶2。

1.2 浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的模型設(shè)計

浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的設(shè)計圖如圖1所示,自上而下分別由垂直軸風機、浮架系統(tǒng)、網(wǎng)衣系統(tǒng)、配重系統(tǒng)和系泊系統(tǒng)5部分組成。

圖1 浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺設(shè)計圖

垂直軸風機將風能轉(zhuǎn)化為電能,滿足深遠海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的電力需求。浮架系統(tǒng)用以提供整體浮力,確保綜合平臺在各種海況下能維持漂浮狀態(tài)。浮架系統(tǒng)既是垂直軸風機的基礎(chǔ),也是養(yǎng)殖網(wǎng)箱的框架。浮架系統(tǒng)內(nèi)側(cè)懸掛網(wǎng)衣形成封閉空間,容納、保護養(yǎng)殖魚類;外側(cè)安裝4個導纜孔,連接系泊系統(tǒng)用以控制綜合平臺的運動。

1.2.1 垂直軸風機模型設(shè)計

垂直軸風機(圖2)由發(fā)電機、葉片、風葉連桿、風葉支架和風機支架5部分構(gòu)成。

圖2 垂直軸風機概念圖(a)與實物圖(b)

具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。垂直軸風機的額定功率為10 MW,切入風速為5 m/s、額定風速為15 m/s、切出風速為25 m/s。

表1 垂直軸風機結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2.2 浮架系統(tǒng)模型設(shè)計

浮架系統(tǒng)由正八邊形浮筒、4根斜撐和中心立柱組成(圖3),是承受海洋環(huán)境荷載的主要構(gòu)件。在物理模型試驗中,根據(jù)試驗水槽條件、設(shè)計工況、試驗材質(zhì)及采集設(shè)備量程等因素,確定浮架系統(tǒng)的整體跨度為0.851 m。理想狀態(tài)下制作的模型應滿足完全相似,但實踐證明是不可行的,通常都是選擇主導地位的力進行相似。

圖3 浮架系統(tǒng)概念圖(a)與實物圖(b)

在本次試驗中選擇了有機玻璃制作模型,滿足幾何相似與重力相似,不考慮彈性相似。有機玻璃的密度為1 200 kg/m3、彈性模量為2.62×109Pa、泊松比為0.42[25]。結(jié)構(gòu)具體參數(shù)見表2。

表2 浮架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)表

1.2.3 網(wǎng)衣系統(tǒng)模型設(shè)計

網(wǎng)衣系統(tǒng)作為浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的重要組成部分,在漁業(yè)養(yǎng)殖方面發(fā)揮了重要作用。在復雜海洋環(huán)境中,網(wǎng)衣(圖4)在水流和波浪等荷載作用下極易產(chǎn)生較大變形。

圖4 模型網(wǎng)衣圖

為了確保有足夠的養(yǎng)殖空間,需對網(wǎng)衣系統(tǒng)進行模擬。網(wǎng)衣系統(tǒng)由側(cè)網(wǎng)和底網(wǎng)組成。本研究主要關(guān)注波浪作用,而波浪能量主要集中在水表面,隨著水深的增大水質(zhì)點速度減小。與側(cè)網(wǎng)相比、作用于底網(wǎng)的波浪力很小,因此在物理試驗中僅由側(cè)網(wǎng)組成網(wǎng)衣系統(tǒng)[26]。網(wǎng)衣的具體參數(shù)見表3。

表3 網(wǎng)衣參數(shù)表

1.2.4 配重系統(tǒng)模型設(shè)計

配重系統(tǒng)系附在網(wǎng)衣的底端,可通過自身的重力減少網(wǎng)衣在水流和波浪等荷載作用下的變形,保持網(wǎng)箱的養(yǎng)殖空間。浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺原型中配重系統(tǒng)的總質(zhì)量為4.8×105kg,按照模型比尺1∶100,模型中單個沉子質(zhì)量為30 g。采用鉛制沉子作為試驗的配重系統(tǒng),沉子數(shù)量為16。

沉子的布置方式如圖5所示,沿網(wǎng)衣下緣均勻分布。

圖5 配重系統(tǒng)所用沉子圖

1.2.5 系泊系統(tǒng)模型設(shè)計

系泊系統(tǒng)是在浮體單個或多個方向分布一定數(shù)量的系泊纜,將浮體固定在特定位置,方便運營和維護。本研究采用四點錨碇形式固定浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺。此種系泊方式簡單、經(jīng)濟、整體系泊剛度分布較為均勻、不需要復雜的機械裝備。系泊纜選擇懸鏈線系泊,采用鋼制無檔錨鏈,系泊系統(tǒng)布置方式及模型錨鏈如圖6所示。

圖6 試驗系泊布置方式及錨鏈實物圖

系泊系統(tǒng)參數(shù)如表4所示。

表4 系泊系統(tǒng)參數(shù)表

1.3 物理模型試驗布置

本試驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室海洋環(huán)境水槽中進行,水槽長50.0 m、寬3.0 m、深1.0 m;造波機板寬3.0 m;最大工作水深0.7 m;最大波高0.3 m;周期范圍0.5～5.0 s,可以模擬單方向傳播的長波峰規(guī)則波和不規(guī)則波(圖7)。為了消除波浪的反射作用,在造波機對面水槽設(shè)置專門的消波裝置,降低反射波對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖7 實驗室海洋環(huán)境水槽照片

試驗設(shè)計水深為0.6 m,浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺放置在水槽中間,距離兩側(cè)壁面均為1.07 m。物理模型試驗布置如圖8所示。試驗使用的采集設(shè)備包括浪高儀、CCD高速相機、拉力傳感器、信號放大器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機等。

圖8 試驗布置圖

進行物理模型試驗時,造波機產(chǎn)生的波浪質(zhì)量是影響試驗結(jié)果準確性的重要原因。在環(huán)境模擬階段,將浪高儀布置在模型所在的前方、中心位置、一側(cè),用于測量和標定正式試驗中要應用的波浪數(shù)據(jù)。為了獲得浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺在不同波浪荷載作用下的運動幅值,通過CCD高速相機錄制運動視頻,采用Matlab及CCD動態(tài)圖像跟蹤軟件分析其運動。運動分析的步驟包括系列圖像獲取,跟蹤點掃描,圖像數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析4部分,具體可參照桂福坤論文[27]。分析結(jié)構(gòu)運動時,一般情況下只需要分析特定點,如前后系纜點、浮架中點等。

在本研究中,結(jié)合八邊形浮架的特點,將跟蹤點布置到前后系纜點處(圖8紅色圓圈)。為防止發(fā)光二極管進水短路,將其粘貼到模型上方而不是一側(cè)(圖9紅色圓圈)。

調(diào)節(jié)相機焦距到合適數(shù)值、避免錄制過程中跟蹤點丟失。每次試驗待波浪穩(wěn)定傳播后開始采集運動圖像。系泊系統(tǒng)所受的系泊力通過拉力傳感器采集。拉力傳感器一端連接導纜孔、另一端連接系泊纜,布放位置可見圖8和圖9(黃色方框)。通過專用信號線接至相應的信號放大器,再通過數(shù)據(jù)采集箱把信號輸入到采集計算機中。統(tǒng)計結(jié)果時取迎浪側(cè)兩個拉力傳感器平均值作為迎浪側(cè)系泊力結(jié)果,背浪側(cè)的數(shù)據(jù)同樣處理。

1.4 物理模型試驗工況

每組工況的具體數(shù)值如表5所示。

表5 試驗工況表

浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的水動力響應包括其運動幅值和系泊力。浮體在水中的運動響應可分解為6個自由度的運動,分別為縱蕩、橫蕩、垂蕩、縱搖、橫搖、艏搖。在本試驗中,波浪沿單一方向入射、模型對稱布置,因此可將浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的運動簡化為二維平面運動,只需采集縱蕩、垂蕩和縱搖三個自由度的運動幅值。針對中國南海海域特點,結(jié)合王亞坡[18]、Zhai等[28]研究內(nèi)容,本研究選取了波高為3 m的正常運行海況、6 m的作業(yè)海況以及波高為9 m的極限海況。根據(jù)南海海況的波譜高能頻帶,選擇的周期范圍介于10～14 s。

2 規(guī)則波作用下綜合平臺的水動力響應

2.1 規(guī)則波作用下綜合平臺的運動響應

圖10、圖11和圖12為9組工況下的縱蕩、垂蕩、縱搖運動幅值,試驗結(jié)果數(shù)據(jù)均為模型值。

圖10 不同工況下浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的縱蕩值

圖11 不同工況下浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的垂蕩值

圖12 不同工況下浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的縱搖值

從圖10中發(fā)現(xiàn),波高為3 cm的工況,周期從1.0 s增加到1.4 s,縱蕩值從0.85 cm增大到1.69 cm。在同一波高條件下,縱蕩值與波長呈正相關(guān)趨勢,周期大則波長大,所以浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的縱蕩值隨周期的增加而增大,在周期為1.4 s時取得最大值。這一規(guī)律與駁船式海上風機與網(wǎng)箱綜合平臺的研究結(jié)果基本一致[28]。周期相同時,浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的縱蕩值隨著波高的增加呈現(xiàn)增加的趨勢,而縱蕩值的增長量隨波高的增大而減小。周期為1.2 s時,波高從3 cm增加到6 cm時縱蕩值的增長量1.12 cm大于波高從6 cm增加到9 cm縱蕩增長量0.71 cm。在波高為9 cm的極限工況下,浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的縱蕩最大值為4.75 cm,滿足API設(shè)計規(guī)范要求的生存海況下漂移距離小于工作水深的10%(即6 cm)[29]。

從圖11中可知,在同一波高條件下,浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的垂蕩值隨著周期的增加呈現(xiàn)增大的趨勢,波高為9 cm的工況,周期從1.0 s增加到1.4 s,垂蕩從2.72 cm逐步增加,在周期為1.4 s時取得垂蕩最大值4.21 cm。當周期不變時,浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的垂蕩值隨波高的增加而增大。同時,垂蕩值的增長量隨波高的增大保持相對穩(wěn)定。周期為1.2 s時,波高從3 cm增加到6 cm的垂蕩增長量為1.13 cm,與波高從6 cm增加到9 cm的垂蕩增長量為1.27 cm相近。

從圖12中可知,在相同波高條件下,浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的縱搖值隨著周期的增加呈現(xiàn)減小的趨勢。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是由波陡的變化造成的,在波高不變的情況下,隨著周期的增加,波陡隨之減小,波浪作用于綜合平臺的接觸面積減小、波浪抨擊綜合平臺的頻率降低,導致綜合平臺的縱搖值減小,這與劉航飛[30]研究的半潛式養(yǎng)殖平臺結(jié)果一致。波高為6 cm的工況,周期從1.0 s增加到1.4 s,縱搖值從7.00°減小到4.97°,其他工況也具有類似情況。波高越大縱搖值減小的趨勢越明顯,在周期為1.0 s時,取得縱搖最大值8.35°。在同一周期條件下,縱搖值隨波高的增加而增加。周期為1.2 s的工況,波高從3 cm增加到9 cm,縱搖值從3.44°增加到7.06°。周期相同、波高增大則波陡增大,波浪與綜合平臺的接觸面積增大、波浪水質(zhì)點速度增大,因此綜合平臺的縱搖值增大。

從以上結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn),同一周期條件下、波高越大,浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的縱蕩、垂蕩、縱搖運動幅值就越大。因為波浪的能量與波高的平方項滿足正比例關(guān)系。周期不變,隨著波高的增加、波浪的總能量增加、傳遞到浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的能量也在增加,因此浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的運動幅值均與波高呈正相關(guān)。此外,縱搖運動是評價浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺是否安全可行的重要條件之一[31]。如果平臺的縱搖過大,不僅會造成網(wǎng)箱容積急劇減小導致養(yǎng)殖魚群擠壓死亡,還會引起塔架振動、影響風機系統(tǒng)的動力性能,嚴重時造成整體傾覆。試驗結(jié)果證明了浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺具有良好的穩(wěn)定性,除波高為9 cm、周期為1.0 s的極限工況外,其他工況下的縱搖運動幅值均較小。

2.2 規(guī)則波作用下綜合平臺的系泊力響應

浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺在9組工況下迎浪側(cè)與背浪側(cè)系泊力如圖13和圖14所示。從圖13中可知,在同一波高條件下,迎浪側(cè)系泊力隨著周期的增大呈現(xiàn)減小的趨勢,波高越大時減小的趨勢越明顯,波高為9 cm的工況,周期從1.0 s增加到1.4 s時,迎浪側(cè)系泊力從3.07 N減小到2.25 N,減小量為0.82 N,顯著大于波高為3 cm下的減小量0.23 N。在周期為1.0 s時取得最大值,迎浪側(cè)系泊力的最大值為3.07 N。周期相同時,迎浪側(cè)系泊力隨著波高的增大而增大,且波高越小增大的趨勢越明顯。周期為1.0 s時,波高從3 cm增加到6 cm時迎浪側(cè)系泊力增加量為0.76 N,明顯大于波高從6 cm增加到9 cm時迎浪側(cè)系泊力的增加量0.47 N。

圖13 不同工況下浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的迎浪側(cè)系泊力

圖14 不同工況下浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的背浪側(cè)系泊力

從圖14可知,波高相同時,背浪側(cè)系泊力隨周期的增大而減小。波高為9 cm的工況,周期從1.0 s增加到1.4 s,背浪側(cè)系泊力從1.76 N減小到1.32 N。波高9 cm和波高6 cm時的減小量分別為0.44 N和0.46 N,減小的趨勢較為顯著,波高3 cm時減小量為0.17 N,減小的趨勢較為平緩。周期相同時,背浪側(cè)系泊力的大小與波高為正比例關(guān)系,波高越大、背浪側(cè)系泊力的數(shù)值就越大,在周期為1.0 s的工況下,波高從3 cm增加到9 cm,背浪側(cè)系泊力從1.19 N逐步增大,在波高為9 cm時取得背浪側(cè)系泊力的最大值1.76 N。

對比圖13和圖14可知,同一工況下迎浪側(cè)系泊力顯著大于背浪側(cè)系泊力,這與Zhao等[32]的研究結(jié)果一致。

在正向入射的波浪作用下,迎浪側(cè)的系泊纜同時承受外界荷載與浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺運動產(chǎn)生的荷載。而背浪側(cè)系泊纜承受的荷載經(jīng)過迎浪側(cè)系泊纜的分擔、浮架系統(tǒng)和網(wǎng)衣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的削弱,明顯小于迎浪側(cè)。在試驗工況7中,迎浪側(cè)系泊力與背浪側(cè)系泊力的差值為1.31 N,迎浪側(cè)系泊力比背浪側(cè)系泊力大75%。此外,從背浪側(cè)系泊力圖中觀察到波高為6 cm和波高為9 cm的系泊力數(shù)值較為接近,兩者之間的最大差值為0.09 N;而迎浪側(cè)系泊力圖中對應工況的數(shù)據(jù)相差較大,兩者之間的最大差值為0.47 N。因此可知,極限工況對浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺迎浪側(cè)系泊纜影響較大,對背浪側(cè)的系泊纜影響較小。

將浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的運動幅值與系泊力綜合分析,可以發(fā)現(xiàn)迎浪側(cè)與背浪側(cè)系泊力的變化趨勢與縱搖運動的變化趨勢基本相同。兩者與波高呈正相關(guān),與周期呈負相關(guān)。結(jié)合本研究采用的懸鏈線系泊方式可知,系泊系統(tǒng)的恢復力主要由系泊纜懸掛段和躺臥在海底躺底段的重力提供,因此對于浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的垂向運動約束大于縱向運動。對于浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的垂蕩運動,可以發(fā)現(xiàn)波高和周期較大時垂蕩值增長變緩,這也是系泊系統(tǒng)恢復力的體現(xiàn)。

3 結(jié)論

本研究通過物理模型試驗,研究了波浪作用下浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的水動力響應,主要得到以下結(jié)論:1)波高不變時,綜合平臺的縱蕩、垂蕩運動均隨波浪周期的增加呈現(xiàn)增加的趨勢,而縱搖運動隨著周期的增加呈現(xiàn)減小的趨勢;2)周期不變時,綜合平臺的水動力響應均隨波高的增加呈現(xiàn)增加的趨勢;3)綜合平臺的運動幅值基本滿足API規(guī)范要求,工作海況下能正常運行;4)同一工況下迎浪側(cè)系泊力明顯大于背浪側(cè)系泊力,極限工況對迎浪側(cè)系泊纜的影響大于背浪側(cè),因此在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中應重點關(guān)注迎浪側(cè)系泊力,防止發(fā)生系泊纜斷裂事故;5)本研究采用的懸鏈線系泊系統(tǒng)對綜合平臺的垂向運動約束大于縱向運動。本研究僅對波浪作用下浮式網(wǎng)箱與垂直軸風機綜合平臺的水動力響應進行了分析,并未考慮風機受風的影響。在未來的研究中,將會開展風浪流聯(lián)合作用下綜合平臺的耦合動力分析。