極端工況下導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)的研究

王世明，丁成林，吳愛平，馮凱亮，潘 健

（1.上海海洋可再生能源工程技術(shù)研究中心，上海 201306；2.上海師范大學(xué) 天華學(xué)院，上海 201815；3.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院，上海 201306）

0 引言

海上風(fēng)力發(fā)電與潮流能發(fā)電作為兩種可持續(xù)的綠色發(fā)電方式，正逐漸替代傳統(tǒng)能源發(fā)電模式。由于深海域風(fēng)速穩(wěn)定、風(fēng)切變小以及湍流度小等特點(diǎn)，海上風(fēng)電向深海域發(fā)展是大勢(shì)所趨，在風(fēng)能豐富的水域，潮流能資源也相對(duì)富集，如果將兩者的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)集成在同一個(gè)支撐結(jié)構(gòu)上，不但可以有效地利用海域空間，還有利于其商業(yè)化發(fā)展。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋可再生能源集成利用研究處于初步探索階段，在已有的風(fēng)能-潮流能集成示范工程中，采用導(dǎo)管架基礎(chǔ)作為支撐結(jié)構(gòu)的方案較為常見。江俊杰等[8]對(duì)提出一種導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與養(yǎng)殖網(wǎng)箱結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，利用導(dǎo)管架基礎(chǔ)內(nèi)部空間進(jìn)行養(yǎng)殖，并對(duì)波流耦合作用下整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，驗(yàn)證了方案的可行性。高騰飛等[9]通過CFD計(jì)算、APDL命令流和實(shí)驗(yàn)等方法，研究了海洋導(dǎo)管架平臺(tái)與垂直軸水輪機(jī)集成的新型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及水動(dòng)力性能。Pasin Plodpradit等[10]對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行自由振動(dòng)和耦合動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果表明，導(dǎo)管架基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)受環(huán)境載荷、結(jié)構(gòu)剛度的影響顯著。張坤等[11]探討了導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在多載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，揭示了其在極端環(huán)境下的結(jié)構(gòu)特性與失效機(jī)理。Constantine Michailides等[12]基于物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，研究了海上風(fēng)浪耦合時(shí)域數(shù)值模型在不同運(yùn)行工況下的性能。Saleh Jalbi等[13]發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證了通過優(yōu)化導(dǎo)管架基礎(chǔ)豎向剛度與上部結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度之比、導(dǎo)管架—塔架幾何結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)寬比，可以有效控制導(dǎo)管架基礎(chǔ)的搖擺頻率。

本文提出一種導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)，采用ANSYS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，分析集成結(jié)構(gòu)在極端工況下的位移變形量及應(yīng)力分布情況，為海上多能源集成發(fā)電研究提供理論依據(jù)。

1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)系統(tǒng)概述

導(dǎo)管架基礎(chǔ)是海上風(fēng)電平臺(tái)的主要形式，上部主要由甲板、梁等組成，下部主要由導(dǎo)管架、鋼樁等組成，具有足夠的剛性，能適應(yīng)復(fù)雜的海洋環(huán)境。潮流能具有較高的能量密度，在海洋能利用開發(fā)上擁有巨大的潛力[14]。將導(dǎo)管架基礎(chǔ)作為支撐結(jié)構(gòu)，以整合海上風(fēng)電、潮流能發(fā)電，建立更高效的海上多能源集成發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)參數(shù)

以上海東海風(fēng)電場(chǎng)5MW大容量樣機(jī)工程為背景，本文選用華銳風(fēng)電科技有限公司制造的SL5000風(fēng)機(jī)組，該風(fēng)機(jī)組主要由機(jī)艙、輪轂、葉片、塔筒和基礎(chǔ)五部分組成，其中塔筒重約366t，機(jī)艙重約281t，輪轂重約60t，葉片重約23t（3個(gè)葉片），四根樁腿在每個(gè)側(cè)面由六個(gè)斜撐導(dǎo)管呈X型交叉連接，底端尺寸為27m×27m，頂部尺寸為14m×14m，導(dǎo)管架外徑為1.6m，壁厚為0.034m，斜撐導(dǎo)管外徑為0.8m，壁厚為0.025m，具體參數(shù)如表1所示[15]，導(dǎo)管架基礎(chǔ)三維模型如圖1所示。本文所選用的基礎(chǔ)形式為導(dǎo)管架基礎(chǔ)，對(duì)于發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)（發(fā)電機(jī)組、輪轂和葉片）本文不作詳細(xì)研究，均簡(jiǎn)化成質(zhì)量點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。

圖1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)三維模型

表1 SL5000風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要相關(guān)參數(shù)

1.2 潮流能裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)

本文選用上海海洋大學(xué)海洋工程研究所設(shè)計(jì)的一臺(tái)40W水平軸潮流能裝置，具體參數(shù)如表2。水輪機(jī)主要由葉輪，三相異步永磁電動(dòng)機(jī)和管道組成，其三維模型如圖2所示。其發(fā)電原理是潮流通過兩端的導(dǎo)流罩進(jìn)入管道內(nèi)，沖擊水輪機(jī)葉輪，葉輪旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)內(nèi)置的三相異步永磁電機(jī)發(fā)電[16]。

表2 水平軸潮流能裝置主要參數(shù)

圖2 潮流能裝置三維模型

1.3 材料參數(shù)

用于導(dǎo)管架基礎(chǔ)的鋼材為DH36高強(qiáng)度鋼，密度為7.85×103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度為σs=335MPa，抗拉強(qiáng)度490～620MPa。水平軸潮流能裝置的導(dǎo)流罩及葉輪所采用的鋼材型號(hào)均為45鋼，密度7.85x103kg/m3，泊松比0.31，彈性模量2.1×105MPa。

2 載荷工況

導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)與潮流能裝置均處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中工作，在運(yùn)行過程中除了受到自身重量載荷，還受到風(fēng)、浪、流載荷等其他海洋環(huán)境荷載[17]。本文研究的導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)位于我國(guó)東海某海域，該海域無(wú)冰凍情況，且地震發(fā)生概率極小，所以冰載荷與地震載荷的分析在本文中未作考慮。

2.1 風(fēng)載荷

目前，研究風(fēng)機(jī)葉輪所受風(fēng)荷載的方法主要有動(dòng)量理論和葉素理論，動(dòng)量理論用來(lái)描述作用在葉輪上的力與風(fēng)速之間的關(guān)系[18]，本文根據(jù)動(dòng)量理論，施加在風(fēng)機(jī)上的載荷PH的計(jì)算公式如式(1)所示：

式(1)中，CFB為相關(guān)系數(shù)，根據(jù)動(dòng)量定理中的Bezt理論，一般取8/9；ρ為空氣密度，一般取1.297kg/m，Vr為額定風(fēng)速，A為有效掃風(fēng)面積。

對(duì)于塔筒結(jié)構(gòu)所受的風(fēng)載荷，本文選擇在定常風(fēng)情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)動(dòng)量定理，在一定高度Z處，作用在塔筒上的單位長(zhǎng)度風(fēng)荷載大小為f(z)，其表達(dá)式如下：

Cd為阻力系數(shù)，一般取值1.2，ρ為空氣密度，一般取1.297kg/m，D為塔筒截面直徑，Vz為高度為z處的風(fēng)速。

2.2 波浪載荷

海水受到海風(fēng)和氣壓變化的影響，形成周期性的起伏運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生波浪，波浪載荷在海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)及力學(xué)分析中是非常重要的因素，其載荷計(jì)算可采用Morison方程推導(dǎo)出，表達(dá)式如式(3)所示：

式(3)中，fw為垂直于管樁上的波浪力，CD為拖曳力系數(shù)，CM為慣性力系數(shù)，ρw為海水密度，取1.025×103kg/m3，D為樁徑，u為管樁軸線處水質(zhì)點(diǎn)的水平方向速度。本文設(shè)計(jì)的水深為50m，參考API，DNV采用的Stokes五階波浪理論，取CD=1.0，CM=1.2。

2.3 海流載荷

海流是一種相對(duì)穩(wěn)定的海水運(yùn)動(dòng)，海流載荷是指由海流作用在海洋工程結(jié)構(gòu)上而產(chǎn)生的載荷，它主要是由于風(fēng)的拖曳、潮流的作用等引起的[19]。對(duì)于導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下部分所受的海流載荷可參考Morison公式來(lái)計(jì)算，表達(dá)式如式(4)所示：

式(4)中，F(xiàn)c為圓形樁柱單位長(zhǎng)度上的海流力，CD為阻力系數(shù)，ρ為海水密度，D為樁徑，umax為海流的最大流速。

2.4 海域工況

根據(jù)東海某海域水文資料[20]，在海域工況分析中設(shè)定極端工況，開展流場(chǎng)載荷分析及有限元分析，本文模擬仿真時(shí)設(shè)定的載荷參數(shù)如表3所示。

表3 極端工況載荷參數(shù)

3 流場(chǎng)載荷分析及結(jié)果

將建立的三維模型導(dǎo)入ANSYS中，利用Fluent流體仿真模塊對(duì)水平軸水輪機(jī)和導(dǎo)管架水下部分進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，研究極端流速下葉輪的水動(dòng)力性能及導(dǎo)管架水下部分的流場(chǎng)分布，并計(jì)算出兩個(gè)模型在水中受到的總體壓力，基本流程如圖3所示。

圖3 流暢載荷分析基本流程圖

3.1 水平軸水輪機(jī)的流場(chǎng)載荷分析

水輪機(jī)是水平軸潮流能裝置的關(guān)鍵部件之一，在Solidworks2018軟件中建立水輪機(jī)模型，葉片數(shù)量為4，葉輪旋轉(zhuǎn)半徑為2.0m，設(shè)置轉(zhuǎn)速為40rpm，導(dǎo)入Mesh中劃分網(wǎng)格。由于水輪機(jī)軸心處于海域中層深度位置，所以極端海流速度取表3中2.12m/s代入下列計(jì)算中，模擬水輪機(jī)附近的流場(chǎng)變化，再通過Fluent計(jì)算其流體總壓力。圖4為水輪機(jī)網(wǎng)格模型。

圖4 水輪機(jī)網(wǎng)格模型

如圖5所示，壓力較大部分出現(xiàn)在水輪機(jī)迎流處，大約為4.2KPa，葉片外緣處速度最大，大約為7.87m/s，流體沿著翼型流向改變較小，水輪機(jī)在極端工況下，葉輪周圍的漩渦軌跡平穩(wěn)，說(shuō)明此時(shí)獲能效率較高，同時(shí)仿真結(jié)果也與課題組之前對(duì)本文中采用的水平軸潮流能裝置葉輪部分的最優(yōu)流速為2m/s左右的實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符合[21]。通過Fluent計(jì)算得出水輪機(jī)在極端海流速度下受到的流體總壓力為43.927KN。

圖5 水輪機(jī)的流場(chǎng)分析

3.2 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的流場(chǎng)載荷分析

導(dǎo)管架基礎(chǔ)在海水中高度為50m，基礎(chǔ)水下部分受到海流的沖擊，將三維模型導(dǎo)入ANSYS中，并在Mesh中劃分導(dǎo)管架基礎(chǔ)和流體域網(wǎng)格，如圖6所示。設(shè)置極限流速2.12m/s，模擬導(dǎo)管架基礎(chǔ)附近的流場(chǎng)分布情況，并計(jì)算其流體總壓力。

圖6 導(dǎo)管架基礎(chǔ)網(wǎng)格模型

由圖7可觀察到，導(dǎo)管架迎流處面受到的載荷壓力比較大，且最大值為4.07Kpa，導(dǎo)管架水平截面最大速度4.97m/s，出現(xiàn)在海流表層，而海流底層處的導(dǎo)管架壓力和速度較小，說(shuō)明波流耦合力隨著水深的增加而減小。通過FLUENT計(jì)算得出，當(dāng)流速為2.12m/s時(shí)，導(dǎo)管架基礎(chǔ)水下部分的總流體壓力為1090KN。

圖7 導(dǎo)管架基礎(chǔ)的流場(chǎng)變化

4 有限元分析及結(jié)果

海上風(fēng)機(jī)導(dǎo)管架基礎(chǔ)與潮流能裝置集成利用，水輪機(jī)受到的潮流載荷將會(huì)附加到導(dǎo)管架基礎(chǔ)上，因此可以考慮用ANSYS-APDL模塊建立有限元模型，并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。綜合分析極端工況下，導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的強(qiáng)度、剛度，確保整個(gè)集成結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

4.1 導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型的建立

整個(gè)導(dǎo)管架基礎(chǔ)模型采用四種單元類型PIPE59、PIPE20、BEAM188及MASS21分別對(duì)水下部分、泥下部分、水上部分及塔筒頂部導(dǎo)管架進(jìn)行模擬，根據(jù)這四種單元的順序?qū)φ麄€(gè)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成計(jì)算分析的有限元模型，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)管架的有限元模型

4.2 靜力分析及結(jié)果

在對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行靜力分析之前，需要對(duì)相位角進(jìn)行360度的搜索，找到波浪入射角為0°、45°時(shí)，波流耦合力達(dá)到極值時(shí)的相位角取值[22]，然后利用MATLAB軟件將分析結(jié)果擬合成波流耦合力—相位角關(guān)系曲線。

從圖9中可以看出，當(dāng)波浪入射角為0°時(shí)，波流耦合力在相位角為71°時(shí)達(dá)到極值，為1,402,555N。當(dāng)波浪入射角為45°時(shí)，波流耦合力在相位角為72°時(shí)達(dá)到極值，為1,377,697N。為了考慮導(dǎo)管架基礎(chǔ)受力的最不利工況，所以取最大相位角71°作為輸入角度進(jìn)行靜力分析。

圖9 波流耦合力—相位角關(guān)系曲線

將建立的導(dǎo)管架平臺(tái)模型讀入Mechanical APDL程序中，選擇Solution，建立New Analysis，設(shè)置分析類型為Static，再將導(dǎo)管架四個(gè)樁腿進(jìn)行位移約束，同時(shí)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)施加波流載荷并定義重力場(chǎng)，最后進(jìn)入Solve中的Current LS求解計(jì)算模塊。在后處理界面中打開位移云圖和單元等效應(yīng)力云圖，如圖10、圖11所示。

圖10 位移云圖

圖11 等效應(yīng)力云圖

由圖10～圖11可知，整個(gè)結(jié)構(gòu)最大的位移發(fā)生在塔筒與風(fēng)機(jī)的連接處，最大位移數(shù)值為0.313m，結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為122MPa，發(fā)生在導(dǎo)管架樁腿的底部位置。

4.3 模態(tài)分析及結(jié)果

Block Lanzcos法能很好地處理剛體振型，適用于分析大中型模型。通過模態(tài)分析計(jì)算，可以求解得到導(dǎo)管架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的自然頻率和振型，其分析結(jié)果可以作為瞬態(tài)動(dòng)力分析的基礎(chǔ)[23]。進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，需重新進(jìn)入ANSYS求解器，選擇Solution，建立New Analysis，設(shè)置分析類型為Modal。通過計(jì)算得到的前10階自振頻率結(jié)果如表4所示，提取前6階并觀察其模態(tài)振型變化，如圖12所示。

表4 導(dǎo)管架基礎(chǔ)前10階固有頻率

圖12 前六階振型圖

由前六階振型圖可以看出，結(jié)構(gòu)的前兩階振型都是塔筒的擺動(dòng)較為明顯，到了第三階振型才出現(xiàn)導(dǎo)管架基礎(chǔ)下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，第五階導(dǎo)管架與潮流能裝置連接部分變形較大。由于低階模態(tài)振幅最大，在同樣量級(jí)的激勵(lì)作用下，響應(yīng)所占的權(quán)值大一些，所以也最危險(xiǎn)。本文所選取的波浪周期為9.8s，波浪荷載頻率0.102Hz，而本文導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)第一階模態(tài)自振頻率為0.4859Hz，所以能有效避免共振現(xiàn)象。

4.4 瞬態(tài)動(dòng)力分析及結(jié)果

波流載荷是一種隨時(shí)間變化的載荷，對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)影響較大，所以本節(jié)將進(jìn)行波流載荷沖擊下導(dǎo)管架基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力分析。根據(jù)模態(tài)分析所得到的阻尼系數(shù)α=0.1737、β=0.003046進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析，設(shè)置瞬態(tài)動(dòng)力的時(shí)程分析作用時(shí)間為200s，時(shí)間間隔0.2s，由9可知，該波浪作用力最大作用相位角為71°，作用力的大小為1,402,555N，由此對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析時(shí)設(shè)置以上參數(shù)，并對(duì)導(dǎo)管架四個(gè)樁腿進(jìn)行位移約束，對(duì)整體結(jié)構(gòu)施加重力載荷。設(shè)置完之后對(duì)其進(jìn)行solution求解，進(jìn)入時(shí)間歷程后處理器，繪制應(yīng)力和位移隨時(shí)程變化的曲線。

由圖13可知，在波流作用的前三個(gè)周期內(nèi)，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移大幅度波動(dòng)，產(chǎn)生的振動(dòng)頻率較大，應(yīng)力相對(duì)集中。從第四周期開始，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移呈周期變化，與波浪周期近似。

圖13 導(dǎo)管架基礎(chǔ)時(shí)程曲線圖

4.5 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)載荷分析

水平軸潮流能裝置通過四根鉸鏈安裝固定在導(dǎo)管架基礎(chǔ)的四根支撐管樁上，如圖14所示。在海水中，導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)主要受到海流載荷作用，海面以上主要受到風(fēng)載荷與波浪載荷作用，在極端工況下，入射相位角為71°，風(fēng)速25m/，海流流速2.5m/s，載荷具體參數(shù)如表5所示。然后將水輪機(jī)和導(dǎo)管架基礎(chǔ)流場(chǎng)載荷數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS中綜合計(jì)算求解，探究集成結(jié)構(gòu)受力情況，得到集成結(jié)構(gòu)位移云圖及等效應(yīng)力云圖。

圖14 導(dǎo)管架基礎(chǔ)風(fēng)能-潮流能集成結(jié)構(gòu)三維模型

表5 極端工況下載荷參數(shù)表

由圖15、圖16可知，集成結(jié)構(gòu)所受最大應(yīng)力為77.3Mpa，發(fā)生在樁柱與水輪機(jī)連接處，最大位移為0.232m，發(fā)生在塔筒頂部，整個(gè)集成結(jié)構(gòu)的導(dǎo)管架基礎(chǔ)部分沒有發(fā)生嚴(yán)重變形，基本符合設(shè)計(jì)要求。

圖15 位移云圖

圖16 等效應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

1）利用FLUENT計(jì)算仿真，在極端流速2.12m/s下，水輪機(jī)所受最大壓力為43.927KN，導(dǎo)管架基礎(chǔ)所受最大壓力為1090KN。

2）選取Block Lanzcos法進(jìn)行模態(tài)提取分析，得到導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)一階振型的頻率為0.4859Hz，未達(dá)到本文參考的波浪頻率，所以能有效避免共振現(xiàn)象。

3）通過對(duì)集成結(jié)構(gòu)施加最大靜荷載，可知最大位移為0.232m，由于塔筒高度為65m，所以最大位移為總高度的0.356%，小于1%，滿足規(guī)定的剛度要求。同時(shí)還可以得到此結(jié)構(gòu)的最大有效應(yīng)力為77.3MPa，滿足結(jié)構(gòu)所用鋼材的屈服強(qiáng)度。

4）通過加裝水平軸潮流能裝置后，導(dǎo)管架風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)最大位移由0.313m減少至0.232m，降低25.9%，最大有效應(yīng)力由122Mpa減少至77.3Mpa，降低36.7%，這說(shuō)明水平軸水輪機(jī)工作時(shí)形成的擾流能分散部分潮流對(duì)導(dǎo)管架基礎(chǔ)的水平?jīng)_擊力。