海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置優(yōu)先工況選擇的動(dòng)力學(xué)分析

毛垚飛， 朱克強(qiáng)， 夏 峰, 鐘科星， 徐庭留， 張遠(yuǎn)強(qiáng)

(1.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院， 浙江 寧波 315211；2.寧波東方電纜股份有限公司，浙江 寧波 315801)

2017-04-27

國家自然科學(xué)基金(11272160)

毛垚飛(1991—),男,江西上饒人,碩士生,主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究。E-mail:736730202@qq.com

朱克強(qiáng)(1956—)，男，安徽合肥人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事海洋管線、拖曳線列陣等海洋結(jié)構(gòu)物研究。

E-mail: zhukeqiang@nbu.edu.cn

1000-4653(2017)03-0054-04

海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置優(yōu)先工況選擇的動(dòng)力學(xué)分析

毛垚飛1， 朱克強(qiáng)1， 夏 峰2, 鐘科星2， 徐庭留1， 張遠(yuǎn)強(qiáng)1

(1.寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院， 浙江 寧波 315211；2.寧波東方電纜股份有限公司，浙江 寧波 315801)

為選擇既能使海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置安全工作又能使其保持最優(yōu)工作效率的工作海域，參考某型海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置的具體參數(shù)，結(jié)合裝置工作過程，使用水動(dòng)力學(xué)軟件OrcaFlex建立裝置工作過程中的動(dòng)力學(xué)分析簡化模型。分析在不同波高、不同波浪周期下海洋浮標(biāo)和動(dòng)子沿軸向相對定子的位移、速度及纜型裝置的張力與彎矩沿纜長方向的分布及變化情況，量化裝置在不同海域的工作安全性和工作效率。

海洋浮標(biāo)； 發(fā)電裝置； OrcaFlex； 動(dòng)力學(xué)分析； 波高； 波浪周期； 能量轉(zhuǎn)換效率

隨著全球能源日益枯竭，對海洋能源進(jìn)行開發(fā)利用成為當(dāng)今世界能源開發(fā)的重點(diǎn)。波浪能以其儲(chǔ)量大、分布廣和易獲取等優(yōu)勢成為重要的海洋環(huán)境新能源之一。海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置是一種新型波浪能轉(zhuǎn)換裝置，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[1-10]已針對該裝置進(jìn)行大量分析研究。這里以水動(dòng)力學(xué)軟件OrcaFlex為平臺，建立海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置的分析模型，并對其工作狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，得到裝置在不同海況下的水動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果。為方便計(jì)算，在對該裝置進(jìn)行仿真模擬分析之前，需對環(huán)境及裝置本身作以下假設(shè)：

1) 由于海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置主要是在波浪、洋流的作用下運(yùn)行的，進(jìn)而將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，風(fēng)對其工作的影響不大，故僅考慮波浪和洋流的作用。

2) 該裝置工作時(shí)沿多個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，在鉛垂方向上下沉浮，隨流向繞系泊區(qū)域End B擺動(dòng)。由于洋流的方向在短周期內(nèi)不變，因此僅考慮一個(gè)平面內(nèi)的類似于復(fù)合擺的運(yùn)動(dòng)。

為得到較高的發(fā)電效率，海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置會(huì)在比較復(fù)雜的海域內(nèi)工作，進(jìn)而出現(xiàn)急劇擺動(dòng)的現(xiàn)象，對發(fā)電裝置的安全工作產(chǎn)生威脅。這里研究如何合理選擇既能獲得較大能量又能保證裝置安全的工作海域。

1 基于OrcaFlex建立模型

1.1環(huán)境參數(shù)

在選取海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置的工作海域時(shí)，選取裝置的極限自存工況，其環(huán)境參數(shù)為：水平流流速2.03 m/s；有義波高4.8 m。為方便分析，取波流同向的情況進(jìn)行分析。該海域水溫為10 ℃，密度為恒定值1.025×103kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏滯率為3.5%。在OrcaFlex軟件中選取波浪類型為Dean stream，其中Stream function order取10。

1.2模型參數(shù)

在OrcaFlex軟件中建立海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置模型(見圖1)，該模型由3部分組成。

1) 第1部分波浪吸收裝置為一個(gè)海洋浮標(biāo)。

2) 第2部分能量轉(zhuǎn)換裝置主要依靠動(dòng)子線圈(以下簡稱動(dòng)子)沿定子永磁體(以下簡稱定子)軸向切割磁場來發(fā)電。動(dòng)子由海洋浮標(biāo)牽連運(yùn)動(dòng)，其具體參數(shù)為：外徑4.77 m；內(nèi)徑0.7 m；軸向長度14.9 m；法向剛度1×106kN·m2；臨界阻率50%。

3) 第3部分固定系泊裝置為一條均勻管線，錨固于海床上，其主要參數(shù)為：外徑0.65 m；內(nèi)徑0.58 m；質(zhì)量5.31 kg/m；楊氏模量2.12×108kPa；泊松比0.5；軸向破斷力1.43×107kN；抗彎剛度6.79×105kN·m2；抗扭剛度4.533 2×105kN·m2。

圖1 海洋浮標(biāo)發(fā)電裝置模型

在實(shí)際工作中，定子與錨固裝置固結(jié)于一條纜上，故合并兩者簡稱纜型裝置。在仿真模擬中，纜型裝置在性能上類似于一個(gè)非線性彈簧。將其離散為凝集質(zhì)量模型，由若干個(gè)無質(zhì)量、連續(xù)的分段組成，各分段由旋轉(zhuǎn)的軸向彈簧及阻尼器組成，中點(diǎn)分布著節(jié)點(diǎn)，且都視為一個(gè)連續(xù)、無質(zhì)量的纜單元。因此，在該仿真中僅需考慮纜型裝置的軸向特性及扭轉(zhuǎn)響應(yīng)。海洋浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與發(fā)電機(jī)所處的海洋環(huán)境及裝置具體參數(shù)存在著復(fù)雜的相互約束關(guān)系。發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，主要受到浮力Ffd，浮標(biāo)自重G及反電磁力Fd等3個(gè)力的作用。浮筒所受合力為

∑F=Ffd-G-Fd

(1)

(2)

(3)

(4)

式(1)～式(4)中：S(t)為浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的位移函數(shù)；m為質(zhì)量；ρ為密度；b為等效邊長；r為半徑；λ為波長；A為波高；ω為波浪角頻率；C為電磁阻力系數(shù)。

綜合式(1)～式(4)，裝置啟動(dòng)的工作狀態(tài)要求是浮標(biāo)的合外力∑F≥0。根據(jù)各工作海域不同的海況環(huán)境，可初步得到裝置的最小啟動(dòng)波高。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

針對不同周期(T=4 s,5 s,6 s,8 s,9.5 s,10 s,11 s)和不同波高(H=2 m,2.4 m,2.8 m,3.2 m,3.6 m,4.0 m,4.4 m,4.8 m)的幾類工作海況，分析波浪對裝置工作性能及其安全性的影響。

2.1波周期變化對裝置及其工作的影響

根據(jù)裝置的實(shí)際參數(shù)，由于定子的長度一定，對浮標(biāo)位移有一定的限制，浮標(biāo)相對靜置原始位置位移上限為2 m，下限為1 m，超出該限制范圍會(huì)導(dǎo)致裝置無法有效工作，甚至遭到破壞。

圖2為不同波周期情況下的位移響應(yīng)。由圖2可知：在波浪的作用下，動(dòng)子相對定子在時(shí)域內(nèi)作振幅逐漸增大的不規(guī)則振動(dòng)；不同波周期下振動(dòng)的相位有所偏移。

圖2 不同波周期情況下的位移響應(yīng)

圖3為不同波周期相對位移極值。由圖3可知：波浪周期由11.0 s降低至4.0 s(極限工作周期)，波浪環(huán)境逐漸復(fù)雜，未發(fā)現(xiàn)動(dòng)子相對定子軸向位移變化與波周期變化線性相關(guān)；波周期為11.0 s時(shí)，動(dòng)子絕對位移值為0.903 58 m，隨著波周期的縮短，絕對位移值逐漸增大，當(dāng)波周期為8.0 s時(shí)達(dá)到最大；當(dāng)波周期為9.5 s,8.0 s,6.0 s時(shí)，位移的上限最大值超出裝置本身的許用上限，會(huì)造成裝置做無用功,甚至遭到破壞；在整個(gè)模擬周期范圍內(nèi)并未出現(xiàn)位移下限最大值超出裝置的許用下限的情況。

圖3 不同波周期相對位移極值

動(dòng)子軸向振動(dòng)速度變化反映動(dòng)子因切割定子的磁場而將波浪能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電效率。圖4為不同波周期動(dòng)子速度極值。由圖4可知：波周期由11.0 s降低至4.0 s過程中，軸向振動(dòng)速度與波周期變化并未呈現(xiàn)線性相關(guān)的關(guān)系；隨著波周期的縮短，裝置動(dòng)子軸向振動(dòng)速度極值逐漸增大，當(dāng)波周期為8.0 s時(shí)達(dá)到最大值1.137 3 m/s，而后逐漸減小。

圖4 不同波周期動(dòng)子速度極值

討論裝置各部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，動(dòng)子由于海洋浮標(biāo)的保護(hù)而在正常工作情況下不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞的情況，故主要討論不同波浪周期下纜型裝置的結(jié)構(gòu)安全及工作狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。圖5為不同波周期下纜型裝置張力響應(yīng)。由圖5可知：各波周期下纜型裝置的張力分布、變化曲線趨勢是類似的；最上端End A區(qū)域張力值接近0，沿纜長向海床方向越往下，纜的張力越大，在距離End A端15～21 m范圍內(nèi)急劇變大，最后在距離End A端26.5 m處達(dá)到最大。造成張力急劇變大的原因?yàn)椋?～15 m區(qū)間位于動(dòng)子與定子接觸的區(qū)間內(nèi)，在工作時(shí)，纜型裝置僅受發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的反電磁力的作用，其余未受海洋浮標(biāo)包裹保護(hù)的纜型裝置還要承受海洋環(huán)境施予的一系列載荷，故該區(qū)域的張力急劇變大；系泊區(qū)域(距離End A端26.5 m左右范圍)需承擔(dān)將裝置固定在海床上的任務(wù)，保證裝置工作時(shí)不產(chǎn)生破壞性位移，因此該區(qū)域系泊張力最大，是整個(gè)系泊裝置的系泊張力危險(xiǎn)區(qū)域，該區(qū)域的抗拉強(qiáng)度需加強(qiáng)；在波周期由11.0 s降低至4.0 s的過程中，纜型裝置的張力最大值隨著波周期的減小而增大。

圖5 不同波周期下纜型裝置張力響應(yīng)

圖6為不同波周期下纜型裝置彎矩響應(yīng)。由圖6可知：各波周期下纜型裝置的彎矩分布、變化曲線相似；最上端End A端區(qū)域彎矩值接近0，沿纜長向海床方向越往下，纜的彎矩越大，一般在距離End A端10～20 m區(qū)間內(nèi)達(dá)到最大，到系泊點(diǎn)End B區(qū)域時(shí)減小為0；隨著波周期的增大，裝置所受彎矩有較大幅度的增大；彎矩最大值所在位置在海洋浮標(biāo)下邊緣與定子接觸的區(qū)間內(nèi)，說明發(fā)電裝置內(nèi)部組件的相互作用影響彎矩的變化，故該區(qū)域變化波動(dòng)最為劇烈。綜合上述討論可知，波周期的變化對纜型裝置彎矩的大小分布及變化情況有較大影響。

圖6 不同波周期情況下纜型裝置彎矩響應(yīng)

2.2波高變化對裝置及其工作的影響

圖7為不同波高海況下動(dòng)子相對定子軸向位移在時(shí)域內(nèi)的模擬結(jié)果。由圖7可知：在波浪的作用下，動(dòng)子相對定子在模擬時(shí)域內(nèi)作振幅逐漸增大的不規(guī)則振動(dòng)；由于波浪周期一定，該振動(dòng)的相位一定，隨著波高的升高，振幅有較大提升。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因?yàn)椋喊l(fā)電裝置動(dòng)子在定子軸向上的位移主要是在鉛垂方向上的位移，單位波的簡諧運(yùn)動(dòng)是動(dòng)子在鉛垂方向出現(xiàn)位移的主要能量來源，因此波高變化對動(dòng)子軸向位移變化有較大影響。

圖7 不同波高情況下位移響應(yīng)

圖8為不同波高時(shí)相對位移極值情況。由圖8可知：在波高由2.0 m增加至4.8 m自存工況的過程中，單位波浪能量提高，動(dòng)子相對定子軸向位移極值隨著波高的增大而增大；當(dāng)波高>4.4 m之后，位移的上限最大值超出裝置本身的許用上限；在整個(gè)模擬波高范圍內(nèi)并未出現(xiàn)位移下限最大值超出裝置的許用下限的情況；當(dāng)波高較小時(shí)，海洋浮標(biāo)軸向振動(dòng)位移較?。划?dāng)波高小于該海域裝置最小啟動(dòng)波高時(shí)，裝置無法啟動(dòng)。因此，該裝置不能選擇波高過小的海域。

圖8 不同波高時(shí)相對位移極值情況

圖9為不同波高動(dòng)子速度極值。由圖9可知：在波浪的作用下，動(dòng)子軸向振動(dòng)速度在模擬時(shí)域內(nèi)的波動(dòng)較劇烈；在波高由2.0 m增至4.8 m過程中，動(dòng)子軸向振動(dòng)速度隨波高的增大而增大，裝置的工作效率有較大提高。因此，為獲取更好的工作效率，該裝置應(yīng)在安全范圍內(nèi)選擇波高較大的海域。

圖9 不同波高動(dòng)子速度極值

為使裝置在不同波高下滿足工作安全性要求，討論纜型裝置在不同波高的工作海域的結(jié)構(gòu)安全及在工作狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

圖10為不同波周期情況下纜型裝置張力響應(yīng)。由圖10可知：各波周期下纜型裝置的張力分布、變化曲線趨勢類似；波高增大過程中，纜型裝置的張力最大值呈增大趨勢。張力的增大會(huì)使裝置的工作安全性受到威脅，故裝置需選取一個(gè)安全的波高環(huán)境，或采取相應(yīng)措施加強(qiáng)纜型裝置。

圖10 不同波周期下纜型裝置張力響應(yīng)

圖11為不同波周期下纜型裝置彎矩響應(yīng)。由圖11可知：各波高情況下纜型裝置的彎矩分布、變化曲線基本相似；隨著波高的升高，裝置所受彎矩有一定幅度的增大；彎矩最大值所在的位置在海洋浮標(biāo)下邊緣與定子接觸的區(qū)間內(nèi)。綜合上述討論可知，波高的變化對纜型裝置彎矩的大小分布及變化有一定影響。

圖11 不同波周期下纜型裝置彎矩響應(yīng)

3 結(jié)束語

綜合上述分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

1) 考慮裝置組件結(jié)構(gòu)的限制，裝置工作海域波周期處于5～10 s工況下，位移的上限最大值超出裝置本身的許用上限，造成裝置做無用功甚至遭到破壞，故在選擇工作海域時(shí)，應(yīng)采取措施解決位移過大的問題；考慮裝置的工作效率，由于動(dòng)子軸向速度最大海況屬于5 ～10 s危險(xiǎn)工況，故應(yīng)在安全工況內(nèi)選擇接近速度最大值對應(yīng)的海況，以使裝置在保證安全的前提下有效提高工作效率；在T=4 s海況下，纜型裝置的張力與彎矩都大于其他周期環(huán)境。因此，考慮裝置的工作安全性，不宜使裝置處于周期過短的工作環(huán)境內(nèi)。

2) 考慮裝置組件結(jié)構(gòu)的限制，當(dāng)裝置工作海域波高>4.4 m之后，浮標(biāo)位移的上限最大值超出裝置本身的許用上限；當(dāng)波高小于該海域裝置最小啟動(dòng)波高時(shí)，裝置無法啟動(dòng)。因此，該裝置不能選擇波高過大或過小的海域；考慮裝置的工作效率，波高較大的海域可提高裝置的工作效率；在H=4.8 m海況下，纜型裝置的張力和彎矩都遠(yuǎn)大于其他波高環(huán)境。因此，考慮裝置的工作安全性，不宜使裝置處于波高過大的海域內(nèi)。

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DynamicAnalysisforSelectionofPreferableOperatingModeforConversionDeviceofOceanBuoys

MAOYaofei1,ZHUKeqiang1,XIAFeng2,ZHONGKexing2,XUTingliu1,ZHANGYuanqiang1

(1.Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315211, China; 2.Ningbo Orient Wires & Cables Co., Ltd., Ningbo 315801, China)

In order to select a working location in the sea where conversion device of ocean buoys will work with both optimal safety and efficiency. With OrcaFlex a simplified dynamic Analysis model of the device operation is built based on the specific working process and parameters of a typical conversion device of ocean buoys. The movement of the device under different significant wave heights and wave periods is analyzed in order to determine the relative displacement and velocity of motor mover as well as the distribution and change of the tension and the bending moment along the cable. The safety performance and work efficiency of the device are predicted in different sea areas quantitatively.

ocean buoy; conversion device; OrcaFlex; dynamic analysis; wave height; wave period; energy conversion efficiency

TM612；P743.2

A