饒翔， 路寬， 伊揚

(1.國家海洋技術(shù)中心， 天津 300112； 2.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

本文基于Ansys CFD的二次開發(fā)，分析了不同海況下，風(fēng)浪流共同作用對潮流能裝置及其載體平臺耦合運動的影響。采用動網(wǎng)格與動邊界技術(shù)，對復(fù)雜海況下的運動平臺及其搭載潮流能水輪機進行水動力學(xué)性能研究。

1 水輪機及載體平臺研究

1.1 水輪機及載體平臺運動方程

載體平臺在海上受到風(fēng)、浪和流的作用時發(fā)生非定常運動，而水輪機直接受到了浪和流的影響，間接性受到風(fēng)荷載的影響。兩者耦合模型如圖1(a)所示，為了方便分析建立如圖1(b)、(c)所示的坐標(biāo)系，潮流、波浪和風(fēng)沿著y軸正向流動，y軸為水輪機的旋轉(zhuǎn)軸。載體平臺在海上運動的時域運動方程為：

圖1 潮流能水輪機與載體平臺

Fwave(t)+Fwind(t)+Fc(t)+Fm(t)

(1)

式中：M、m為廣義質(zhì)量矩陣、附加質(zhì)量矩陣；K(t-τ)為系統(tǒng)的延遲函數(shù)矩陣；C為載體平臺靜水恢復(fù)力系數(shù)矩陣；Fwave(t)為波浪力；Fwind為風(fēng)力；Fc為潮流力；Fm(t)為錨鏈張力。

在流體力學(xué)數(shù)值計算中，流場受到物理守恒定律的支配，基本守恒律包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。其中質(zhì)量守恒方程為：

(2)

式中：ρ為海水密度；ui為i方向的來流速度；Sm為分散的二級相中加入到連續(xù)相的質(zhì)量。

在海水中可認為密度均勻連續(xù)且為不可壓縮流體，故不存在分散的二級相，計算時方程(2)簡化為：

(3)

潮流能水輪機運動時，其水輪機微元體中，受到海水流動的動量對時間的變化率等于外荷載作用在微元體上之和，其動量方程為：

(4)

式中：p為壓強；τij為切應(yīng)變；gi和fi分別為i方向的重力體積力和外部波浪荷載作用的體積力。

1.2 研究路線

本文的研究流程如圖2所示，通過載體平臺在不同海況下的運動情況作為水輪機的運動，在AQWA模塊中建立載體平臺的模型，輸入每一級海況對應(yīng)的波浪、風(fēng)和流荷載參數(shù)，計算其對載體平臺作用產(chǎn)生的運動響應(yīng)。當(dāng)載體平臺受到風(fēng)、浪和流作用時產(chǎn)生非定常運動，通過鋼接支架傳遞給水輪機。CFD中無波參數(shù)設(shè)置功能，水輪機的運動需要通過外接程序的方式給定。在AQWA中通過計算結(jié)果得出的不同海況下載體平臺的運動響應(yīng)導(dǎo)出，通過CFD的軟件二次開發(fā)，編寫用戶自定義函數(shù)將載體平臺運動傳遞至水輪機上，計算水輪機在不同海況下的運動。

圖2 水輪機運動研究流程

2 浮式潮流能水輪機數(shù)值模型

2.1 載體平臺模型

水輪機搭載的載體平臺，是國家海洋技術(shù)中心威海海上試驗場的海上可移動綜合試驗平臺，平臺為雙浮體船型，船長為30 m，寬為21 m，高為4.5 m，吃水深度為2.0 m，質(zhì)量為380 t，船體質(zhì)心為(0 m，0.2 m，-0.6 m)，慣性半徑為(4.52 m，7.14 m，7.40 m)，計算時的水域深度為70 m。在數(shù)值計算時，為了簡化分析計算同時保留主體船特征，建模時對載體平臺進行簡化處理，保留載體平臺雙浮體結(jié)構(gòu)、船體工作艙室以及船體中間月池部分。

載體平臺的錨系布置結(jié)構(gòu)如圖3所示，錨系結(jié)構(gòu)采用四點式布置，各錨點的坐標(biāo)分別為：A(84 m，-120 m，-70 m)、B(84 m，120 m，-70 m)、C(-84 m，120 m，-70 m)、D(-84 m，-120 m，-70 m)。錨鏈選用φ32AM2規(guī)格，其剛度為1.66×108N/m，錨鏈原長度150 m。

圖3 錨系布置

在AQWA模塊中，載體平臺的網(wǎng)格大小的選擇受到波浪頻率參數(shù)的影響，需在最高與最低計算波浪頻率之間進行劃分。最低波浪頻率即接近船體本身固有頻率，為數(shù)值計算的下限值，而最高波浪頻率的設(shè)置則考慮到計算速度與精度。根據(jù)國家海洋局與國際通用的蒲式風(fēng)級表的資料統(tǒng)計，將中國海域的海浪劃分為10級，國際通用的蒲式風(fēng)級表將海上的風(fēng)劃分為13級。常見的3級的海況較為少見且對水輪機的水動力響應(yīng)較小，而6級以上的海況為災(zāi)害性海況，潮流能水輪機在此狀態(tài)下有可能停機工作，本文為了簡化計算并突出關(guān)鍵問題，選取了常見的3～6級海況為數(shù)值計算的海況條件。

本文考慮表1所示的不同波浪荷載的波浪周期的最小值，設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為0.8 m。載體平臺船體全局采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，在切變處、棱角處與月池處的部分用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行處理，總網(wǎng)格數(shù)為1.2萬個。

表1 蒲式風(fēng)級與中國國家海洋局浪級表

2.2 潮流能水輪機模型

水平軸潮流能水輪機采用NACA-63424翼型[12]，水輪機半徑R為5 m，輪轂半徑為0.1R，葉片數(shù)量為3片，如圖4(a)所示。建模采用UG軟件，導(dǎo)入此翼型的坐標(biāo)點數(shù)據(jù)，將各坐標(biāo)點按照順序進行連線。

在ICEM中，分為水輪機的劃分與流場區(qū)域的劃分。水輪機劃分中，由于潮流能水輪機葉片表面與輪轂處形狀較為復(fù)雜，故采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行處理，其余部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格形式。為了提高計算精度與速度，需對水輪機的流場進行劃分，以保證其數(shù)值計算時網(wǎng)格質(zhì)量不受運動影響而下降。為了模擬水輪機在旋轉(zhuǎn)的同時還受到外荷載的影響發(fā)生了非定常運動，設(shè)置水輪機的旋轉(zhuǎn)域、球域與總域，如圖4(b)～(d)所示。其中水輪機在旋轉(zhuǎn)域內(nèi)，水輪機的非定常運動發(fā)生在球域內(nèi)，而球域包含在總域內(nèi)。旋轉(zhuǎn)域是一個扁平的圓柱體，其高為0.4R，圓柱體底半徑為1.5R；球域是一個球半徑為4R的球體；總域是一個底為10R的正方形，高為36R的長方體，水輪機旋轉(zhuǎn)的扁平圓柱體距離進口距離為10R，距離出口距離為26R。相鄰的域之間采用瞬態(tài)轉(zhuǎn)子交界面連接，保證網(wǎng)格運動的連續(xù)性，水輪機網(wǎng)格數(shù)為6萬個，總網(wǎng)格數(shù)為198萬如圖4(e)所示。

圖4 潮流能水輪機數(shù)值網(wǎng)格

2.3 耦合模型的數(shù)值模擬條件

水輪機數(shù)值計算中，水輪機每旋轉(zhuǎn)3°為1個時間步長，完成一周旋轉(zhuǎn)為120步，總旋轉(zhuǎn)周數(shù)為30轉(zhuǎn)，進口來流均勻速度為1.5 m/s，設(shè)計葉尖速比為5，轉(zhuǎn)速為13 rad/min。為了避免水輪機旋轉(zhuǎn)時四周壁面產(chǎn)生反射波，設(shè)定為敞口水域邊界條件，其相對大氣壓為0，如圖5所示?？傆虻木W(wǎng)格平行于邊界運動，球域與旋轉(zhuǎn)域的運動通過外接程序的方式，將載體平臺的運動規(guī)律傳遞。

圖5 計算邊界條件

載體平臺數(shù)值計算中，設(shè)定AQWA計算類型為時域求解，不規(guī)則波的波浪譜設(shè)置為JONSWAP譜，波高與波浪周期、風(fēng)速的組合設(shè)計取值參考如表1所示，具體數(shù)值如表2所示。其中風(fēng)荷載類型為定常風(fēng)速荷載，均勻潮流速度為1.5 m/s，譜峰因子Γ為3.30。

表2 設(shè)計海況組合

3 水輪機運動結(jié)果分析

為了研究水輪機在海上的工作性能與運動，水輪機的能量利用率Cp、軸向荷載系數(shù)CF與力矩系數(shù)Cθx、Cθy、Cθz分別為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Mx為水輪機繞x軸旋轉(zhuǎn)的力矩；My為水輪機繞y軸旋轉(zhuǎn)的力矩；Mz為水輪機繞z軸旋轉(zhuǎn)的力矩；Fy為水輪機的軸向受力；ve為潮流速度；R為水輪機半徑；ω為水輪機旋轉(zhuǎn)角速度；ρ=1 025 kg/m3。

3.1 運動分析

圖6為水輪機耦合載體平臺在不同海況下的橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩運動隨時間發(fā)生波動變化，可看出海況等級越高，曲線的波動幅度越大。在圖6的搖動運動中，縱搖和艏搖的幅度相當(dāng)，橫搖的幅度最大，故水輪機沿y軸方向的轉(zhuǎn)動響應(yīng)最大，波浪的周期對搖動周期的影響很小。在圖6的平動運動中，橫蕩和垂蕩的運動幅值相當(dāng)，垂蕩的運動幅值相比橫蕩與垂蕩偏大；在橫蕩與縱蕩中，一個周期內(nèi)的平動運動的位移隨著海況等級的降低而增大。以上分析可知，橫搖和縱蕩分別在轉(zhuǎn)動和平動的運動中幅度最大，其分別是沿y軸方向的轉(zhuǎn)動和平動響應(yīng)，為水輪機運動的主要方向。

圖6 六自由度歷時曲線

3.2 能量利用率分析

圖7(a)所示為潮流能水輪機在表2所示的不同海況荷載組合下，能量利用率的歷時曲線圖。從圖7中可看出，每一級海況對應(yīng)的能量利用率曲線存在著明顯的差異：當(dāng)海況等級越高的情況時，能量利用率的平均值也升高，波動幅度也越大。其中在6級海況時的其能量利用率平均值約為30.9%，曲線波動偏差達到了0.76%；而在3級海況中的能量利用率平均值為28.5%左右，曲線波動偏差為0.25%。

圖7 能量利用率曲線

為了進一步分析水輪機在運動時的能量利用率的變化規(guī)律，將復(fù)雜的隨機波簡化為規(guī)則波，載體平臺在規(guī)則波、定常風(fēng)與流的作用下做受迫簡諧運動。為了方便對比，計算一組條件為僅在均勻來流下發(fā)生繞定軸旋轉(zhuǎn)的參照組。水平軸潮流能水輪機產(chǎn)生了簡諧運動響應(yīng)，其分別為：

k=Aksin(ωkt)

(10)

式中：k為運動響應(yīng)，k取值為x、y、z3個方向；Ak為運動響應(yīng)；ωk為角速度。

圖7(b)為水輪機在不同海況對應(yīng)規(guī)則波、定常風(fēng)與定常流的作用下的能量利用率的歷時曲線圖。能量利用率曲線圖周期性明顯，每一組規(guī)則波下的能量利用率曲線波動比不規(guī)則波時的波動幅值減小。規(guī)則波下6級海況時的能量利用率平均值為30.7%，曲線波動偏差為0.61%；3級海況時的能量利用率曲線的平均值為28.9%，曲線波動偏差為0.19%，接近參照組的平均值為28.8%，曲線波動偏差0.09%。隨著外荷載的影響增大，水輪機運動時偏離初始位置的位移也增加，從而產(chǎn)生了更大的回復(fù)力矩，使水輪機的能量利用率平均值的大小與波動幅度隨著海況的增大而增大。

3.3 水動力荷載分析

從圖8的計算結(jié)果為水輪機的力矩系數(shù)與軸向荷載系數(shù)系數(shù)隨時間變化的歷時曲線，可看出在1個周期系數(shù)曲線中變化趨勢基本一致，僅旋轉(zhuǎn)對照組的系數(shù)曲線較平穩(wěn)，其余不同海況對應(yīng)的曲線波動幅度都隨著海況等級的增加而增大。圖8(a)～(c)中，沿y軸的力矩系數(shù)值整體大于沿x軸與z軸的值，但每一級對應(yīng)曲線波動幅值更小。圖8(d)中，水輪機軸向推力系數(shù)的每一級海況的變化趨勢與圖8(b)的力矩系數(shù)曲線的變化趨勢總體一致，整體波動幅度小相對穩(wěn)定。說明在水輪機運動中，沿y軸的軸向運動受力相對穩(wěn)定，影響水輪機的能量利用率波動變化的因素，是水輪機旋轉(zhuǎn)平面晃動幅度的大小引起的。

圖8 水動力荷載系數(shù)曲線計算結(jié)果

4 結(jié)論

1)與單獨潮流荷載作用時的水輪機運動響應(yīng)相比，風(fēng)浪流荷載共同作用下載體平臺的搖蕩顯著增大，潮流能水輪機能量利用率明顯波動?？梢?，在復(fù)雜海況下，為保證電能質(zhì)量，蓄能是必要的手段。

2)高海況下，潮流能水輪機能量利用率出現(xiàn)了0.76%的波動，水動力荷載系數(shù)也出現(xiàn)了類似的波動，這些波動會使裝置過早出現(xiàn)疲勞損傷，嚴(yán)重影響裝置的在位運行時間。

3)橫搖和縱蕩的運動幅度的大小，是引起水輪機能量利用率均值高低的主要原因，水輪機的旋轉(zhuǎn)平面產(chǎn)生的力矩，是引起水輪機能量利用率波動大小的主要原因，在裝置研發(fā)與設(shè)計階段應(yīng)特別關(guān)注這2個方面因素，以提高潮流能水輪機在復(fù)雜海況下的可靠性與適應(yīng)性。