基于規(guī)則波試驗(yàn)下浮式風(fēng)電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性分析

張 馳，李俊來(lái)，謝永和

（浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

為了能夠高效的開(kāi)發(fā)利用海上風(fēng)能，研究浮式風(fēng)電平臺(tái)迫在眉睫。浮式風(fēng)電平臺(tái)在作業(yè)時(shí)，會(huì)面對(duì)極其復(fù)雜的海況[1]，因此需要對(duì)波浪作用下浮式風(fēng)電平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題做研究。

張文旭等[2]研究波浪方向和聚焦位置的變化對(duì)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系泊纜張力的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)響應(yīng)受畸形波的聚焦位置影響顯著，橫搖、縱搖響應(yīng)和系泊纜受力隨浪向角的改變成規(guī)律性變化，垂蕩運(yùn)動(dòng)則對(duì)浪向角的改變不敏感；劉美妍等[3]對(duì)半潛式風(fēng)電平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，分析粘性阻尼對(duì)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；董曉曼等[4]通過(guò)渦激的運(yùn)動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)特性結(jié)合拖曳試驗(yàn)對(duì)南海張力退平臺(tái)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流向與張力腿平臺(tái)垂直時(shí)會(huì)發(fā)生最大渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，并且確定了運(yùn)動(dòng)最明顯的大概位置。

波浪作用下的浮式風(fēng)電平臺(tái)會(huì)產(chǎn)生較為明顯的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)[5-8]，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)波浪參數(shù)變化較為敏感[12-14]。為研究這個(gè)問(wèn)題，在水動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行水池試驗(yàn)，研究浮式風(fēng)電平臺(tái)在不同波浪波長(zhǎng)、波高情況下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，為相關(guān)研究提供相應(yīng)的參考。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒榻B

根據(jù)流體力學(xué)相似理論，進(jìn)行水池試驗(yàn)時(shí)，模型與實(shí)體應(yīng)該滿足幾何相似，運(yùn)動(dòng)相似以及動(dòng)力相似[8-11]，本文研究的是浮式風(fēng)電平臺(tái)在農(nóng)浪作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題，因此在相似問(wèn)題上僅僅考慮幾何相似。選取1:50作為縮尺比制作模型進(jìn)行試驗(yàn),整個(gè)風(fēng)機(jī)平臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀娠L(fēng)機(jī)模型與平臺(tái)模型兩部分構(gòu)成，模型的主要參數(shù)見(jiàn)表1～2，模型結(jié)果如圖3。

圖1 模型結(jié)構(gòu)Fig.1 Model structure

表1 風(fēng)機(jī)模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of fan model

表2 浮式風(fēng)電平臺(tái)模型主要參數(shù)Tab.2 Main parameters of floating wind power platform model

對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試檢查之后，將風(fēng)機(jī)模型通過(guò)螺栓與平臺(tái)模型緊緊地連接起來(lái)，防止在試驗(yàn)過(guò)程中由于整個(gè)結(jié)構(gòu)的晃動(dòng)造成風(fēng)機(jī)模型的脫落，影響整個(gè)試驗(yàn)的進(jìn)程。

將試驗(yàn)?zāi)Ｐ头湃氲剿刂校瑸檎{(diào)整整個(gè)模型結(jié)構(gòu)的重量以及重心高度給3個(gè)浮桶內(nèi)施加等量的砝碼塊進(jìn)行壓載。在每個(gè)浮桶中加入40 kg的砝碼塊后，模型結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，此時(shí)吃水為500 mm。

2 試驗(yàn)環(huán)境與測(cè)量設(shè)備

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)在浙江海洋大學(xué)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，表3為水池主尺度，如圖2所示。

表3 水池主尺度Tab.3 Main scale of pool

2.2 測(cè)量設(shè)備

所需要使用到的儀器設(shè)備見(jiàn)表4。

表4 相關(guān)設(shè)備Tab.4 The related equipment

圖2 拖曳水池Fig.2 Towing tank

圖3 傾角傳感器Fig.3 Tension sensor

圖4 拉力傳感器Fig.4 Dip sensor

3 試驗(yàn)方案

本文試驗(yàn)主要研究的是系泊狀態(tài)下的浮式風(fēng)電平臺(tái)模型在規(guī)則波下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)狀況。

3.1 系泊模型模擬

將五個(gè)砝碼塊綁在一起代替系泊點(diǎn)，在系泊點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)可變向的滑輪，將系泊纜一段穿過(guò)滑輪從水中拉出去，并將拉力傳感器接上，之后牽引到拖車欄桿上系緊，系泊纜另一端穿過(guò)滑輪與浮桶底部連接，按這個(gè)方法布置3根系泊纜,在1號(hào)浮桶上面布置兩個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器用于測(cè)量風(fēng)電平臺(tái)模型的縱蕩加速度和垂蕩加速度，在風(fēng)機(jī)頂部布置一個(gè)傾角傳感器用于測(cè)量模型平臺(tái)的縱搖角，如圖5～6所示。

圖5 系泊模型Fig.5 Mooring model

圖6 調(diào)試好的試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.6 Tested model

3.2 環(huán)境載荷模擬

本文水池試驗(yàn)主要針對(duì)的是波浪載荷的模擬。試驗(yàn)測(cè)量不用波浪下風(fēng)機(jī)平臺(tái)模型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)狀況，從波高和波長(zhǎng)兩個(gè)方面開(kāi)展研究。采用PM譜，公式如式1所示：

式中：

θ—組合波與主浪向的夾角，單位rad；

T2—海浪跨零周期，單位s；

ω—波浪圓頻率，單位rad/s。

3.3 試驗(yàn)工況的設(shè)置

據(jù)模型的主尺度的型長(zhǎng)作為一個(gè)中間波長(zhǎng)，取2.1 m，此等差數(shù)列前后再取兩個(gè)值，波高取6～14 cm，步長(zhǎng)2 cm，見(jiàn)表5。

表5 波浪參數(shù)Tab.5 The wave parameters

4 分析與結(jié)論

4.1 運(yùn)動(dòng)加速度結(jié)果分析

通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的縱蕩和垂蕩加速度以及縱搖的角度，研究規(guī)則波作用下，波高，波長(zhǎng)對(duì)風(fēng)電平臺(tái)模型運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)表6～9。

表6 測(cè)試結(jié)果Tab.6 Test results

表7 測(cè)試結(jié)果Tab.7 Test results

表8 測(cè)試結(jié)果Tab.8 Test results

表9 測(cè)試結(jié)果Tab.9 Test results

4.1.1 不同波長(zhǎng)規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律分析

將表7和表9中的結(jié)果整理成折線圖，研究不同波長(zhǎng)規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺(tái)模型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，如圖7～9所示。

圖7 縱蕩規(guī)律圖Fig.7 Surge

圖8 垂蕩Fig.8 Heave

圖9 縱搖Fig.9 Pitch

從圖7～9可以看出：

（1）不用波長(zhǎng)規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺(tái)模型縱蕩運(yùn)動(dòng)比其垂蕩運(yùn)動(dòng)劇烈，縱搖運(yùn)動(dòng)很小，接近1°；

（2）規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺(tái)模型縱蕩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)隨著博康波長(zhǎng)的增加而減緩；

（3）規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺(tái)模型垂蕩運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)隨著博康波長(zhǎng)的增加而增強(qiáng)；

（4）規(guī)則波作用下，波高一定時(shí)，波長(zhǎng)在1.26～1.68 m內(nèi)，縱搖角度逐漸增大，波長(zhǎng)在1.68～2.52 m的范圍內(nèi)，縱搖角度開(kāi)始慢慢減小，當(dāng)波長(zhǎng)大于2.52 m時(shí)，縱搖角度開(kāi)始變大。

4.1.2 不同波長(zhǎng)規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律分析

將表8和表9中的結(jié)果整理成折線圖，研究不同波長(zhǎng)規(guī)則波下浮式風(fēng)電平臺(tái)模型的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，如圖10～12所示。

圖10 縱蕩Fig.10 Surge

圖11 垂蕩Fig.11 Heave

圖12 縱搖Fig.12 Pitch

從圖10～12可以看出：

（1）不用波長(zhǎng)規(guī)則波作用下，浮式風(fēng)電平臺(tái)模型縱蕩運(yùn)動(dòng)比其垂蕩運(yùn)動(dòng)劇烈，縱搖運(yùn)動(dòng)很小，接近1°；

（2）規(guī)則波作用下波浪波高對(duì)浮式風(fēng)電平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)作用比較明顯，隨著波浪波高的增加，其各個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)都在增強(qiáng)。

4.2 結(jié)論

根據(jù)上節(jié)中對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析可得出以下結(jié)論：

（1）波浪波高對(duì)浮式樣風(fēng)電平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的規(guī)律較為明顯，其運(yùn)動(dòng)響應(yīng)隨著波高波高的變化而加強(qiáng)，在選擇作業(yè)海域時(shí)，可以選擇波浪稍微平緩的海域；

（2）波浪作用下，浮式風(fēng)電平臺(tái)模型的縱蕩運(yùn)動(dòng)最為明顯，有必要對(duì)其系泊結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。