水深對潮流能電站載體水動力系數(shù)的影響

陳鷥鷺，謝永和，許頌捷

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212000;2.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山 316000）

水深對潮流能電站載體水動力系數(shù)的影響

陳鷥鷺1，謝永和2，許頌捷2

(1.江蘇科技大學船舶與海洋工程學院，江蘇鎮(zhèn)江 212000;2.浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江舟山 316000）

利用三維線性勢流理論和源匯分布法研究潮流能電站載體的輻射問題，對不同水深下載體的附加質(zhì)量和附加阻尼進行數(shù)值計算。計算結果表明，3個水平面運動(橫蕩、縱蕩和首搖）附加質(zhì)量隨水深增大變化較為平緩，而3個垂向運動(垂蕩、橫搖和縱搖）附加質(zhì)量隨水深變化顯著。載體的6個運動附加阻尼都隨水深增加而增加，且波浪周期在4～9 s時增幅較大。

潮流能電站;水動力系數(shù);附加質(zhì)量;附加阻尼

0 引言

潮流能是一種清潔無污染、蘊藏量豐富的可再生新能源，隨著化石能源不斷枯竭和環(huán)保要求的不斷提高，世界各國對潮流能的開發(fā)利用愈加重視。我國潮流能資源極為豐富，據(jù)《中國沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃》統(tǒng)計，中國沿岸130個水道的理論平均功率約為1.4×104MW，其中浙江、福建、山東和臺灣海峽是世界上潮流能資源最豐富的地區(qū)之一。

漂浮式潮流能電站是一種新型的潮流能利用轉(zhuǎn)換裝置，其載體承受水輪機的工作載荷以及整個機組的重量，載體的水動力性能是確定潮流能電站在波浪中運動性能優(yōu)良的重要指標。本文利用三維線性勢流理論，在頻域內(nèi)研究潮流能電站載體的輻射問題，應用三維源匯分布法對不同水深下潮流能電站載體運動的水動力系數(shù)，包括附加質(zhì)量和附加阻尼進行數(shù)值計算與分析。

1 理論基礎

假定結構物周圍的流場是無旋、無粘、不可壓縮的理想流體，流動的基本方程為關于速度勢的線性Laplace方程［1］。在微幅運動下，假定物體是在平衡位置附近作簡諧搖蕩運動，圓頻率為ω，則采用分離變量法，并將定?？臻g速度勢按式

進行分解。φj為載體單位振幅運動的輻射勢。定解條件如下:

采用源匯分步法，將速度勢表示成物面上的分布源形式［2］:

面元法即Hess-Smith方法［4］是求解分布源積分方程的一種常用數(shù)值方法。它是通過對船體平均濕表面的離散，將上述源積分方程轉(zhuǎn)換成線性代數(shù)方程組來求解不同運動模態(tài)的源強分布，從而根據(jù)式(2）確定場內(nèi)各點的輻射速度勢。然后按照定義計算出載體的水動力系數(shù):

2 載體外形設計

考慮到雙體船具有耐波性好，拖航阻力小等特點，本文選用雙體船作為潮流能電站的載體［5］。設計時由水輪機固定工作直徑的大小確定片體間的距離及船長，為避免載體有產(chǎn)生的縱傾從而引起水輪機葉片上緣出水，及水輪機工作時產(chǎn)生較大的側(cè)向力導致載體船首或船尾出水［6］，設計載體的最終主尺度參數(shù)見表1。

表1 潮流能電站載體的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the carrier

3 計算模型

本次數(shù)值模擬采用SESAM軟件的建模模塊GeniE及水動力計算模塊HydroD，在HydroD中調(diào)用WADAM程序計算，POSTRESP進行結果分析。

首先在GeniE中建模，由于載體可視為大尺寸構件，采用板模型進行建模，將模型外表面設為濕表面，創(chuàng)建工況加載水壓，設置網(wǎng)格密度為0.5，生成網(wǎng)格，導出有限元模型文件 (T*.FEM）如圖1所示。

圖1 載體有限元模型Fig.1 Finite elementmodel

在一般情況下，常把海浪視為無限多個頻率不等、方向不同、振幅變化而相位雜亂的微幅簡諧波疊加而成的不規(guī)則波系，這些特征可以用海浪譜表示出來［7］。本文波浪載荷的直接計算采用Bretschneider譜，波浪周期為4～38 s，步長為2 s?？紤]水深對潮流能電站載體水動力系數(shù)的影響，分別選取水深為10 m，20 m，30 m及100 m進行計算。在HydroD中定義上述環(huán)境參數(shù)，將有限元模型文件 (T*.FEM）導入 (見圖2），即得到潮流能電站載體水動力模型。

圖2 載體水動力模型Fig.2 Hydrodynamic model

4 數(shù)值計算結果

附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼是船體形狀、振動頻率和前進速度的函數(shù)，附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼均由一個6×6的矩陣表示，本文主要分析與潮流能電站載體水動力性能有關系的6個對角線上的系數(shù)。附加質(zhì)量以μjk表示，μ11，μ22和μ33分別為縱蕩、橫蕩、和垂蕩3個運動模態(tài)的附加質(zhì)量，μ44，μ55和μ66為橫搖、縱搖和首搖3個角運動的附加慣性矩，同上附加阻尼以λjk表示。計算完成后從POSTRESP中顯示計算結果如圖3～圖5所示。

圖3 載體的附加質(zhì)量Fig.3 Added mass of the carrier

6個運動模態(tài)附加質(zhì)量如圖3所示。波浪周期在4～9 s時，水深越大附加質(zhì)量越大;波浪周期在9～38 s時，水深越大附加質(zhì)量越小。在同樣深度下，橫搖附加質(zhì)量最大，而橫蕩時附加質(zhì)量最小。這與載體雙體船船型特征相符合［8］。

從圖3中可以看出，水平面運動附加質(zhì)量隨水深變化規(guī)律并不明顯，而垂向運動附加質(zhì)量隨水深變化顯著。若以μ/μ∞代表淺水和深水運動下附加質(zhì)量的比值［9］，其隨水深的變化曲線如圖4所示，水深由10 m變化到20 m時，垂蕩、橫搖、縱搖附加質(zhì)量的變化，分別減少了19.4%，13.5%，10.6%;縱蕩、橫蕩、首搖的附加質(zhì)量變化相對平緩，分別減少了2%，8%，0.1%，水深由20 m增加到30 m時，垂蕩、橫搖、縱搖附加質(zhì)量分別減少了7.1%，2.6%，1.7%，而水平面運動的附加質(zhì)量變化很小。

圖4 μ/μ∞隨水深變化規(guī)律Fig.4 μ/μ∞ variation with depth

圖5 載體的附加阻尼Fig.5 Added damping of the carrier

從圖5可知，所有6個運動模態(tài)附加阻尼隨水深變化規(guī)律大致相同且在波浪周期在4～9 s時變化較為明顯，附加阻尼隨著水深增大而增大。所有自由度的附加阻尼中從數(shù)值上比較，載體橫搖、縱搖附加阻尼最大，縱蕩、橫蕩附加阻尼最小。橫搖與橫蕩的附加阻尼相差3個數(shù)量級。

5 結語

本文通過對潮流能電站載體在深水及幾種淺水水深下的數(shù)值計算，得到附加質(zhì)量和附加阻尼等水動力系數(shù)的變化規(guī)律，得出如下結論:

1）在所有水深下，載體的3個水平面運動附加質(zhì)量變化較為平緩，而3個垂向運動附加質(zhì)量變化顯著。

2）相對于深水條件下，所有6個運動附加質(zhì)量都在水深小于20m時變化劇烈，水深大于20m時則趨于平緩。

3）數(shù)值上，載體6個運動附加阻尼都隨水深增加而增加，且波浪周期在4～9 s時增幅較大。

4）總體上，由于載體在淺水中附加質(zhì)量和附加阻尼的較大增加，垂蕩、橫搖、縱搖運動幅度將相對趨于緩和，從而給潮流能電站載體提供更安全穩(wěn)定的航行環(huán)境，避免水輪機出水或觸底現(xiàn)象的發(fā)生。

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The effects of water depth on the hydrodynam ic coefficients of tidal current energy power p lant carrier

CHEN Si-lu1，XIE Yong-he2，XV Song-jie2
(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212000，China;2.School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan 316000，China）

By using the 3-D linear potential theory，the radiation problem of tidal current energy power plant carrier is investigated and the hydrodynamic coefficients in various water depths are calculated numerically.It is shown that the added masses of heave，roll and pitch motions changes slowly with an increase in depth，while the added masses of surge，sway and yaw motions varies significantly.The added damping of all the motions of the carrier increased remarkably with an increase in depth，with a maximal increase slope occurs in the wave period is between 4 to 9 seconds.

tidal current energy power plant;hydrodynamic coefficient;added mass;added damping

U661.3

A

1672－7649(2014）04－0017－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.003

2013－05－06;

2013－06－13

國家自然科學基金資助項目(51279182）

陳鷥鷺(1989－），女，碩士研究生，研究方向為海洋結構物水動力性能。