茅蓉蓉

（江蘇航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通 226010）

風(fēng)能作為一種可再生能源，具有蘊(yùn)藏量大、清潔等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為新能源開發(fā)不可忽視的領(lǐng)域之一，不僅滿足國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，亦是我國實(shí)現(xiàn)“碳中和”目標(biāo)的重要支撐[1]。目前淺海資源開發(fā)逐漸趨于飽和，深海風(fēng)資源豐富，我國海上風(fēng)電逐漸向深海發(fā)展[2]。漂浮式海上風(fēng)力機(jī)作為深遠(yuǎn)海風(fēng)能開發(fā)的必要技術(shù)手段，已成為目前海上風(fēng)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(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS AQWA軟件分析了平臺的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，驗(yàn)證了平臺系泊系統(tǒng)的可靠性。施偉等[4]以南海海況下半潛浮式風(fēng)機(jī)為研究背景，采用ANSYS AQWA分析軟件，對浮式風(fēng)機(jī)在南海典型海況下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行了分析,探究了故障工況下半潛式平臺的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。周紅杰等[5]利用ANSYS AQWA水動(dòng)力分析軟件對NREL（美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室）5MW的半潛式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值模擬分析，研究了波浪對平臺運(yùn)動(dòng)的影響。綜上，ANSYS AQWA商業(yè)軟件作為漂浮式海工結(jié)構(gòu)水動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算專業(yè)工具，受到廣大研究者的青睞。

相較于傳統(tǒng)固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)所處的外部環(huán)境及其載荷更加惡劣，對于運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的預(yù)測難度更大，因此漂浮式海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的安全性能成為研究重點(diǎn)與難題[6]。為了提高浮式風(fēng)機(jī)平臺的穩(wěn)定性，透孔型結(jié)構(gòu)常被應(yīng)用于結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)來達(dá)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(xué)[8]為研究開孔對垂蕩板水動(dòng)力特性的影響，采用強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)方法對不同開孔率的垂蕩板的附加質(zhì)量系數(shù)和黏性阻尼系數(shù)進(jìn)行了研究，對相同開孔率不同開孔孔徑垂蕩板的水動(dòng)力特性進(jìn)行了比較分析。陸志強(qiáng)[9]探究了不同倒角開孔數(shù)的垂蕩板對單浮筒的水動(dòng)力響應(yīng)特性，以試驗(yàn)和數(shù)值模擬對比論證的方法得到規(guī)律結(jié)果，研究結(jié)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(yōu)化平臺垂蕩響應(yīng)的方法，即在半潛式平臺上加裝桁架式浮筒結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)加裝桁架式浮筒結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)垂直方向運(yùn)動(dòng)中引入了較大的附加質(zhì)量和阻尼，從而改善共振問題對結(jié)構(gòu)物造成的不利影響。Srinivasan[11]將流體動(dòng)力加重質(zhì)量和分離流阻尼的概念應(yīng)用于大型深水平臺設(shè)計(jì)中，選取加裝桁架式浮箱結(jié)構(gòu)的半潛浮式平臺進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明垂蕩RAO的幅值只在固有周期附近出現(xiàn)，其他的RAO響應(yīng)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(jù)半潛浮式風(fēng)機(jī)平臺結(jié)構(gòu)特性，研發(fā)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(yè)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(jìn)行數(shù)值模擬，對消波裝置的減搖效果進(jìn)行了研究分析，其結(jié)果能夠反映消波裝置對平臺結(jié)構(gòu)的影響，為平臺的設(shè)計(jì)制造提供參考意見。

1 數(shù)值方法

1.1 波浪載荷

根據(jù)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(yīng)性。本文采用Airy波理論建立波浪模型，假設(shè)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(zhì)量力僅考慮重力；流體質(zhì)點(diǎn)處于緩慢運(yùn)動(dòng)中，且波浪的振幅遠(yuǎn)小于波長[13]。令坐標(biāo)軸原點(diǎn)位于靜水面上，z軸正方向?yàn)榇怪毕蛏?，可以得到該坐?biāo)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(zhì)點(diǎn)位置的坐標(biāo)。在無限水深的情況下，Airy波的彌散關(guān)系如下：

半潛浮式風(fēng)機(jī)平臺是大尺度構(gòu)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(diǎn)上的線性動(dòng)水壓力[15]：

對流體動(dòng)壓力沿平臺結(jié)構(gòu)表面積分，獲得作用于平臺的水動(dòng)力和力矩如下：

1.2 運(yùn)動(dòng)方程

根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)理論，當(dāng)平臺工作的工況為規(guī)則波時(shí)，半潛式風(fēng)機(jī)浮式平臺的時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程表達(dá)式為

2 浮式平臺加裝消波裝置耦合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模型參數(shù)

本文采用美國國家可再生能源（NREL）設(shè)計(jì)的5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺作為研究對象，研究不涉及風(fēng)的影響，盡管計(jì)算模型不帶有風(fēng)力渦輪機(jī)，但考慮到了整體浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等屬性。5MW OC4-DeepCwind平臺系統(tǒng)的主要參數(shù)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(shù)

2.2 系泊系統(tǒng)及其參數(shù)

為模擬浮式海洋平臺動(dòng)力定位，并對浮式海洋平臺水平方向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一定的約束，采用3根水平系泊纜系固于浮式平臺3個(gè)立柱上，相鄰系泊纜之間呈120°夾角。系泊系數(shù)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(shù)

2.3 消波裝置設(shè)計(jì)

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(jié)構(gòu)，根據(jù)5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺的主要參數(shù)，初步確定了消波裝置的基礎(chǔ)尺度參數(shù)，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(yōu)化結(jié)構(gòu)后的浮式平臺進(jìn)行水動(dòng)力分析，探究優(yōu)化后的平臺能否達(dá)到消波的作用。加裝消波裝置后的半潛浮式平臺結(jié)構(gòu)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(cè)視圖

3 優(yōu)化平臺水動(dòng)力性能分析

本文應(yīng)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(jìn)行建模和水動(dòng)力性能分析，通過數(shù)值模擬結(jié)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(shè)定規(guī)則波工況條件如下：（1）來浪角度0°～315°，每隔45°設(shè)置一個(gè)計(jì)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(yīng)分析

在浮式平臺在風(fēng)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(shù)值計(jì)算時(shí)，分別提取在縱蕩、橫蕩兩個(gè)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(dāng)浪向角設(shè)置為45°時(shí)，原平臺水平方向最大加速度最小，為1.23 m/s2；

（2）當(dāng)浪向角設(shè)置為90°時(shí)，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(dāng)浪向角設(shè)置為0°時(shí)，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(dāng)浪向角設(shè)置為45°、90°、225°、270°、315°時(shí)，兩種平臺水平方向最大加速度較小，平臺瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)較為穩(wěn)定；

（5）當(dāng)浪向角設(shè)置為0°、135°、180°時(shí)，兩種平臺水平方向最大加速度較大，平臺瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)較為劇烈，較大的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)會導(dǎo)致風(fēng)機(jī)平臺發(fā)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(jìn)行監(jiān)測，研究纜繩在不同浪向角環(huán)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(shù)據(jù)分析可得：

（1）由于兩種平臺均為關(guān)于中線面對稱布置，所以當(dāng)環(huán)境載荷變化時(shí)，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(guī)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(nèi)，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(tài)。

3.3 平臺六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析

對原平臺和加裝消波裝置平臺的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，原平臺和加裝消波裝置平臺的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值如圖8所示。

圖8 兩種平臺的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值對比

通過兩種平臺的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)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(dāng)浪向角為90°時(shí)，加裝消波裝置平臺的最大橫搖運(yùn)動(dòng)幅值減小90.17%，在其他浪向角下，橫搖運(yùn)動(dòng)幅值均有不同程度的減?。辉诳v搖自由度上，當(dāng)浪向角為90°時(shí)，最大縱搖運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(dòng)力性能優(yōu)化具有顯著效果。

4 結(jié)論

本文根據(jù)5MW OC4-DeepCwind半潛浮式平臺的結(jié)構(gòu)特性，研發(fā)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(yè)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(dòng)力性能進(jìn)行對比分析，得出以下研究結(jié)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(nèi)，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(tài)。

（2）在平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)方面，消波裝置的搖晃抑制作用主要體現(xiàn)在平臺的橫搖運(yùn)動(dòng)上，當(dāng)浪向角為90°時(shí)，加裝消波裝置平臺的最大橫搖運(yùn)動(dòng)幅值較原平臺減小90.17%，加裝消波裝置平臺表現(xiàn)出優(yōu)于原平臺的水動(dòng)力性能。

（3）使用ANSYS AQWA軟件，采用時(shí)域分析方法可較好模擬平臺在規(guī)則波工況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化趨勢，但響應(yīng)幅值與實(shí)際值還存在差距。若要更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)平臺運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、分析加裝消波裝置對平臺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的減搖機(jī)理，還應(yīng)綜合考慮黏性阻尼等因素，并進(jìn)一步探究強(qiáng)非線性載荷下加裝消波裝置對平臺水動(dòng)力性能產(chǎn)生的影響。