中等水深三立柱式浮式风机结构的风浪联合动力响应_王朝辉.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 24 中等水深三立柱式浮式风机结构的 风浪联合动力响应中等水深三立柱式浮式风机结构的 风浪联合动力响应 王朝辉，梁 峰（中国广核新能源控股有限公司，北京 100070）摘 要：摘 要：海上风资源丰富的风场大多处于水深大于 50 m 的海域，此时传统的固定式风机不再适用，因此，漂浮式风机的发展对于海上风电的开发利用有着重要的意义。然而，对于漂浮式风机系统在空气动力及水动力共同作用下的耦合运动响应特点仍需进一步研究。以 WindFloat 风机基础为例，基于势流理论以及叶素动量理论，在考虑系泊缆作用下，求解漂浮式风机系统的时域耦合方程，模拟在中等水深下三立柱式风机结构的空气-水动力耦合响应，对漂浮式风机的耦合响应特点进行分析。研究表明：在工作工况下，受湍流风与风机偏航影响，横荡、横摇和艏摇具有明显的非零特性；纵摇响应的功率谱出现明显的多峰特征；在停机工况下，平台动力响应改由波浪荷载主控。关键词：关键词：中等水深；三立柱式；浮式风机结构；风浪耦合响应 中图分类号：中图分类号：P752 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.04 Wind-Wave Coupled Response of Three Column Floating Wind Turbine in Medium Water Depth WANG Zhaohui,LIANG Feng(CGN New Energy Holding Co.,Ltd.,Beijing 100070,China)Abstract:The offshore wind source is mainly located at the site with more than 50 m water depth where the fixed offshore wind turbine is not suitable.The floating offshore wind turbine(FOWT)is the solution which is a milestone on offshore renewable energy development.However,the characteristics of the FOWT response under the wind-wave coupled environment need further investigation.Taking the WindFloat floating wind turbine foundation as an example,based on the potential flow theory and the blade element momentum theory,the time-domain coupling equation of the floating fan system is solved under the consideration of the mooring line,and the air-hydrodynamic coupling response of the three-column floating wind turbine structure under the medium water depth is simulated,and the coupling response characteristics of the floating wind turbine structure are analyzed.The results show that:under operational conditions,sway,roll and yaw have obvious non-zero characteristics due to the influence of turbulent wind and the yaw operation of the turbine;the power spectrum of the pitch response has obvious multi-peak characteristics;under parked condition,the platform dynamic response is controlled by wave load.Key words:medium water depth;three columns;floating wind turbine;wind-wave coupled response 0 引言引言 近年来，全球对清洁能源的需求不断增加，海上风电这一项丰富的可再生能源正在各国迅速发展。海上风机主要分为固定式和漂浮式 2 种。在浅水区域，主要以单桩和导管架式风机基础为主。随着水深的加深，固定式风机的建造成本大幅上升，因此采用漂浮式风机。漂浮式风机可摆脱海床及水深的束缚，同时其漂浮式基础的随浪运动特点使其具备大大降低在海 收稿日期：2022-01-25；修回日期：2022-03-21 作者简介：王朝辉（1967），男，高级工程师。研究方向：新能源规划设计、海上风电规划及接入系统、新型电力系统接网技术，以及海上风电结构基础设计。王朝辉等，中等水深三立柱式浮式风机结构的风浪联合动力响应 25 上风浪下的结构破坏可能性。漂浮式风机的概念首先由 HERONEMUS1在1972 年提出，但由于当时海洋工程技术的限制，其构想未能实现。然而，随着海上油气发展带动的海洋工程技术进展以及全球对于清洁能源的需求，漂浮式风机相关研究在近年来取得了巨大进展。挪威石油公司与挪威科技大学合作开发了世界第一台漂浮式风机样机 Hywind2，NIELSEN 等3对 Hywind 进行了 140的模型试验以及数值分析。BROMMUNDT 等4对半潜式漂浮式基础 Tri-floater 的系泊系统进行了分析。BACHYNSIKI 等5对张力腿式、半潜式以及单筒式漂浮基础风机在故障下的动力特性响应做了研究。美国国家能源实验室（National Renewable Energy Laboratory,NREL）开展了对漂浮式风机基础DeepCWind 的一系列研究（OC3-4-5-6），其中包含了势流数值模拟，模型试验以及计算流体力学验证6。NAVA 等7对单筒式以及半潜式漂浮式风机基础在典型风浪作用下进行了长期预报。赵永生等8对张力腿平台在极端海况情况下的动力响应特征进行了研究，对张力腿平台的极限承载能力进行了研究。唐友刚等9设计了一种新型单筒式漂浮风机基础，并针对该风机基础进行了运动与受力特性的研究。张亮等10针对三立柱式海上风机半潜台进行了对考虑风载荷情况下的整体稳性与破舱稳性进行了分析。任年鑫等11设计了一种新型张力腿及锚缆组合式系泊系统并将其应用于多种漂浮式风机结构。ZHENG 等12对提出了三峰谱分析方法对漂浮式风机结构疲劳进行分析。REN 等13对多立柱间的浮体水动力耦合效应进行了分析，认为应充分考虑立柱间距对浮体间波面高程的影响。LIU 等14采用OpenFOAM 编写了针对 OC4 的风浪联合数值计算模型，并获得了良好仿真效果。为了进一步揭示漂浮式风机在风浪耦合作用下的运动响应特点，本文以 WindFloat 风机基础为例，对三立柱半潜式平台在中等水深情况下的系泊系统进行设计及优化并对其耦合运动响应特点进行分析。1 计算原理计算原理 1.1 理想流体运动方程理想流体运动方程 流体在流场中运动时需遵循质量守恒（连续方程）和动量守恒（运动方程）。在研究海水波动时又通常假定海水是无黏性不可压缩流体。波动海域中小尺度直立柱波浪力的计算坐标系见图 1，海水的连续方程和运动方程可分别写为 0yxzuuuxyz+=（1）d1()duuuupFtt=+=-+（2）式（1）和式（2）中：ux、uy和 uz为水质点速度 u 在3个坐标轴方向上的分量；t 为时间；为海水密度；p为压强；(1/)p 和F分别为单位质量流体所受到的压强梯度力和重力。无黏性不可压缩流体的运动是无旋的，因此存在单值速度势(x,y,z,t)，满足：(,)ux y z t=（3）图1 小尺度直立柱波浪力计算坐标系 则连续方程和运动方程可分别写为 2222220 xyz+=（4）1()()02pgzt+=（5）式（5）中：g为重力加速度。式（4）即是拉普拉斯方程，一旦得到速度势(x,y,z,t)，便可根据式（3）和式（5）求得波动场各点的速度u和压强p，进而得到整个波动场的波面形状。对于波动场速度势的求解需满足以下边界条件15：n00012(,)(,)(,)(,)zdzdzxyzzzzzttunuuutxygtx y tx yx y z tv x y z=-=-=|=|=+|+|=|=海底运动边界条件：自由表面运动边界条件：自由表面动力边界条件：()=0 无穷远处边界条件：（6）式中：d为水深；n表为海底的法向；un为水质点速度的法向分量；为自由水面的铅直位移，也即波面方程，是关于(x,y,t)的函数；(x,y)为初始水面起伏条件；v(x,y,z)为初始速度场。1.2 莫里森方程莫里森方程 莫里森方程是MORISON等于1950年提出的计算小尺度结构物受到的波浪力的经验公式16。假定结构物的存在对波浪运动无明显影响，结构物受到的波专题：海洋可再生能源 26 浪力可分解为拖曳力和惯性力。如式（7）所示，单位长度直立圆柱受到的水平波浪力可写为()2Hdm2dMd1d1+24dd124dxxxxxxuDFCDu uCtuDCDu uCt=+=+（7）式中：ux和dux/dt分别为柱体中轴线高度z处水质点的水平速度和加速度；D为圆柱体的直径；Cd为垂直于圆柱体轴线方向的拖曳力系数；Cm为附加质量系数；CM为质量系数。式（7）中的第1项即为拖曳力项，第2项为惯性力项。沿着柱体积分即可得柱体受到的波浪力。莫里森方程是半经验公式，其精度取决于Cm和Cd。1.3 动量动量-叶素理论叶素理论 根据叶素理论和动量理论17均可得到叶素环受到的推力和扭矩。利用2种理论下的推力和扭矩分别相等（dT叶素=dT动量，dM叶素=dM动量），即可求出轴向干扰系数b和周向干扰系数b。()ld2cossin18sinNC CCbb+=-（8）()ldsincos18sincosNC CCbb-=+（9）式（8）和式（9）中：N为风机叶片的数目；C为叶素的弦长；Cl和Cd分别为叶片的升、阻力系数；为相对风向角。得到轴向和周向干扰系数后，即可得到风轮受到的推力和扭矩。1.4 塔筒风荷载塔筒风荷载 风机塔筒是1个长度近百米的高耸构件，塔筒遭受的风荷载不可忽略。单位长度塔筒上的风荷载可按式（10）计算。2wairdtower1dd2FC DUz=（10）式中：air为空气密度，取1.28 kg/m3；Cd为塔筒的气动拖曳力系数，取1；Dtower为塔筒直径；U为风速。1.5 时域耦合分析方法时域耦合分析方法 在浮式系统耦合分析过程中，风机/浮体及其系泊系统的动力响应同时求解，可以得到所有的动力相互作用。具体来说，系泊系统产生的作用力、阻尼和惯性力等的耦合效应包括6个部分：1）系泊系统产生的静态回复力，该力是浮体位移的函数；2）流载荷及其 对系泊系统回复力的影响；3）系泊缆躺底段与海床的接触载荷；4）系泊缆和立管的运动（特别是横向运动）以及流载荷的作用等产生的阻尼；5）浮体与柔性构件相互接触而产生的阻尼；6）系泊缆和立管的存在而产生的附加惯性力。风机对浮体产生的耦合效应主要包括：风载荷对风机叶片及塔筒的作用力产生的力/弯矩在浮体上的作用；浮体运动导致风机机头迎风角度变化对漂浮式风机上部结构风载荷的影响。ENGSETH等18提出了浮体/系泊系统的整