多浮子波浪能發(fā)電平臺受力分析

張維，耿寶磊，金瑞佳

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

0 引言

伴隨著全球陸地化石能源日益枯竭和環(huán)境污染日趨加劇，有效利用清潔、可再生的海洋能源成為世界主要沿海國家能源戰(zhàn)略的重要選擇。我國波浪能開發(fā)利用技術(shù)研究始于20世紀(jì)70年代，80年代以來獲得較快發(fā)展。近年來，我國海洋能開發(fā)利用科技取得了長足進(jìn)步，有十幾個(gè)研究所和大學(xué)先后開展了海洋能資源基礎(chǔ)理論研究[1-2]、海洋能發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)理論研究[3]、適合我國海洋環(huán)境特點(diǎn)的海洋能發(fā)電機(jī)組整機(jī)和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)及制造[4]、海洋能發(fā)電場開發(fā)及運(yùn)營[5]、海洋能發(fā)電場建設(shè)施工[6]、集成示范工程[7]等。

針對波浪能發(fā)電裝置研究，大部分學(xué)者還是進(jìn)行傳統(tǒng)的物理模型試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。趙海濤等[8-9]對浮力擺式波浪能裝置進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，找到了PTO阻尼、波浪水文要素以及發(fā)電效率的關(guān)系。Ning等[10-11]和Wang等[12]對岸式振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置同樣進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)和基于勢流理論的數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)尺寸、入射波浪條件與能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系。Luan等[13]對浮子式波浪能發(fā)電裝置基于黏性流理論進(jìn)行了數(shù)值模擬，找到了浮子尺寸、阻尼與最大能量轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系。上述研究大多應(yīng)用于固定式波浪能發(fā)電裝置或單浮體的波浪能發(fā)電裝置，而對于多浮體形式的發(fā)電裝置則研究較少。

本研究基于勢流理論，采用高階邊界元方法，在頻域內(nèi)研究了多浮子波浪能發(fā)電平臺的受力特征，分析了其在不同方向波浪作用下的受力情況，可以為后續(xù)的運(yùn)動(dòng)分析及錨泊系統(tǒng)分析提供數(shù)據(jù)支持。

1 模型建立及驗(yàn)證

采用基于勢流理論的高階邊界元方法在頻域內(nèi)對平臺的受力進(jìn)行計(jì)算[14-15]，為了驗(yàn)證本數(shù)學(xué)模型的正確性，計(jì)算了截?cái)鄨A柱在波浪作用下受到的波浪力。圓柱半徑a=1，水深h=2a=2，吃水深度T=a=1，計(jì)算得到的水平波浪力和垂直波浪力同解析解對比如圖1所示。圖中橫坐標(biāo)為無量綱化的波數(shù)，縱坐標(biāo)為無量綱化的波浪力。通過對比可以看出，使用本數(shù)值模型計(jì)算得到的水平和垂向波浪力和解析解十分吻合，證明了本數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。

圖1 截?cái)鄨A柱受力對比分析Fig.1 Comparative analysis of force on truncated cylinder

2 算例分析

針對多浮子式的波浪能發(fā)電裝置，應(yīng)用本文建立的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算該裝置在不同波浪方向入射情況下的受力情況。首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，得到每個(gè)浮子的尺寸和8個(gè)浮子的相對位置，如圖2所示，并給出了各個(gè)浮子的相對坐標(biāo)，如表1所示。計(jì)算不同波浪周期、不同波浪方向入射對8個(gè)浮子的受力情況。

圖2 浮子尺寸及8個(gè)浮子相對位置示意圖Fig.2 Sketch of float size and relative position of eight floats

表1 8個(gè)浮子相對位置坐標(biāo)Table 1 Eight floats relative position coordinates m

計(jì)算中，根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，僅對1/4劃分網(wǎng)格，假設(shè)浮子在自身重量和配重壓載時(shí)，邊緣浸沒一半。分別計(jì)算波浪方向0°，11.25°，22.5°，33.75°和45°情況下浮子受到的合力，入射波浪波幅為1.0 m，計(jì)算波浪周期從3.0 s到12.0 s，間隔0.5 s。計(jì)算結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 不同方向波浪入射時(shí)裝置受波浪力情況Fig.3 The wave force of the device under different wave incidence directions

圖4 不同方向波浪入射時(shí)裝置受波浪力矩情況Fig.4 The wave force moment of the device under different wave incidence directions

從8個(gè)浮子受力分析可知，由于浮子吃水較淺，因此水平方向受力遠(yuǎn)小于垂直方向受力，水平方向在波浪周期4.0 s時(shí)達(dá)到最大，隨后迅速減小，在波浪周期5.0 s附近最小，其原因主要是入射波浪波長的影響，此時(shí)波長的一半和平臺尺寸很相近，由于波浪相位相差180°，導(dǎo)致水平和垂向波浪力達(dá)到最小，而在波浪周期5.5 s附近，較大的波浪力矩可能會使平臺有較大轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在短周期波浪作用下要注意平臺的轉(zhuǎn)動(dòng)，長周期波浪作用下要注意平臺的升沉運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)語

本文基于勢流理論，采用高階邊界元方法在頻域內(nèi)建立了數(shù)值模型，計(jì)算波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用。首先通過與其他學(xué)者的截?cái)鄨A柱的受力解析解對比，驗(yàn)證了本數(shù)學(xué)模型的正確性，隨后應(yīng)用該模型計(jì)算了多浮子波浪能發(fā)電裝置受到的波浪力和波浪力矩情況，發(fā)現(xiàn)其水平受力遠(yuǎn)小于垂向受力，特別是在長周期波浪作用下，該裝置受到的垂向波浪力較大，對于波浪力矩，隨著波浪周期的增大，波浪力矩先增大后減小，因此在短周期波浪作用下要注意平臺的轉(zhuǎn)動(dòng)，長周期波浪作用下要注意平臺的升沉運(yùn)動(dòng)。