水深对潮流能电站载体水动力系数的影响

陈鸶鹭，谢永和，许颂捷

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212000;2.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316000）

水深对潮流能电站载体水动力系数的影响

陈鸶鹭1，谢永和2，许颂捷2

(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212000;2.浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山 316000）

利用三维线性势流理论和源汇分布法研究潮流能电站载体的辐射问题，对不同水深下载体的附加质量和附加阻尼进行数值计算。计算结果表明，3个水平面运动(横荡、纵荡和首摇）附加质量随水深增大变化较为平缓，而3个垂向运动(垂荡、横摇和纵摇）附加质量随水深变化显著。载体的6个运动附加阻尼都随水深增加而增加，且波浪周期在4～9 s时增幅较大。

潮流能电站;水动力系数;附加质量;附加阻尼

0 引言

潮流能是一种清洁无污染、蕴藏量丰富的可再生新能源，随着化石能源不断枯竭和环保要求的不断提高，世界各国对潮流能的开发利用愈加重视。我国潮流能资源极为丰富，据《中国沿海农村海洋能资源区划》统计，中国沿岸130个水道的理论平均功率约为1.4×104MW，其中浙江、福建、山东和台湾海峡是世界上潮流能资源最丰富的地区之一。

漂浮式潮流能电站是一种新型的潮流能利用转换装置，其载体承受水轮机的工作载荷以及整个机组的重量，载体的水动力性能是确定潮流能电站在波浪中运动性能优良的重要指标。本文利用三维线性势流理论，在频域内研究潮流能电站载体的辐射问题，应用三维源汇分布法对不同水深下潮流能电站载体运动的水动力系数，包括附加质量和附加阻尼进行数值计算与分析。

1 理论基础

假定结构物周围的流场是无旋、无粘、不可压缩的理想流体，流动的基本方程为关于速度势的线性Laplace方程［1］。在微幅运动下，假定物体是在平衡位置附近作简谐摇荡运动，圆频率为ω，则采用分离变量法，并将定常空间速度势按式

进行分解。φj为载体单位振幅运动的辐射势。定解条件如下:

采用源汇分步法，将速度势表示成物面上的分布源形式［2］:

面元法即Hess-Smith方法［4］是求解分布源积分方程的一种常用数值方法。它是通过对船体平均湿表面的离散，将上述源积分方程转换成线性代数方程组来求解不同运动模态的源强分布，从而根据式(2）确定场内各点的辐射速度势。然后按照定义计算出载体的水动力系数:

2 载体外形设计

考虑到双体船具有耐波性好，拖航阻力小等特点，本文选用双体船作为潮流能电站的载体［5］。设计时由水轮机固定工作直径的大小确定片体间的距离及船长，为避免载体有产生的纵倾从而引起水轮机叶片上缘出水，及水轮机工作时产生较大的侧向力导致载体船首或船尾出水［6］，设计载体的最终主尺度参数见表1。

表1 潮流能电站载体的主要参数Tab.1 Main parameters of the carrier

3 计算模型

本次数值模拟采用SESAM软件的建模模块GeniE及水动力计算模块HydroD，在HydroD中调用WADAM程序计算，POSTRESP进行结果分析。

首先在GeniE中建模，由于载体可视为大尺寸构件，采用板模型进行建模，将模型外表面设为湿表面，创建工况加载水压，设置网格密度为0.5，生成网格，导出有限元模型文件 (T*.FEM）如图1所示。

图1 载体有限元模型Fig.1 Finite elementmodel

在一般情况下，常把海浪视为无限多个频率不等、方向不同、振幅变化而相位杂乱的微幅简谐波叠加而成的不规则波系，这些特征可以用海浪谱表示出来［7］。本文波浪载荷的直接计算采用Bretschneider谱，波浪周期为4～38 s，步长为2 s。考虑水深对潮流能电站载体水动力系数的影响，分别选取水深为10 m，20 m，30 m及100 m进行计算。在HydroD中定义上述环境参数，将有限元模型文件 (T*.FEM）导入 (见图2），即得到潮流能电站载体水动力模型。

图2 载体水动力模型Fig.2 Hydrodynamic model

4 数值计算结果

附加质量系数和附加阻尼是船体形状、振动频率和前进速度的函数，附加质量系数和附加阻尼均由一个6×6的矩阵表示，本文主要分析与潮流能电站载体水动力性能有关系的6个对角线上的系数。附加质量以μjk表示，μ11，μ22和μ33分别为纵荡、横荡、和垂荡3个运动模态的附加质量，μ44，μ55和μ66为横摇、纵摇和首摇3个角运动的附加惯性矩，同上附加阻尼以λjk表示。计算完成后从POSTRESP中显示计算结果如图3～图5所示。

图3 载体的附加质量Fig.3 Added mass of the carrier

6个运动模态附加质量如图3所示。波浪周期在4～9 s时，水深越大附加质量越大;波浪周期在9～38 s时，水深越大附加质量越小。在同样深度下，横摇附加质量最大，而横荡时附加质量最小。这与载体双体船船型特征相符合［8］。

从图3中可以看出，水平面运动附加质量随水深变化规律并不明显，而垂向运动附加质量随水深变化显著。若以μ/μ∞代表浅水和深水运动下附加质量的比值［9］，其随水深的变化曲线如图4所示，水深由10 m变化到20 m时，垂荡、横摇、纵摇附加质量的变化，分别减少了19.4%，13.5%，10.6%;纵荡、横荡、首摇的附加质量变化相对平缓，分别减少了2%，8%，0.1%，水深由20 m增加到30 m时，垂荡、横摇、纵摇附加质量分别减少了7.1%，2.6%，1.7%，而水平面运动的附加质量变化很小。

图4 μ/μ∞随水深变化规律Fig.4 μ/μ∞ variation with depth

图5 载体的附加阻尼Fig.5 Added damping of the carrier

从图5可知，所有6个运动模态附加阻尼随水深变化规律大致相同且在波浪周期在4～9 s时变化较为明显，附加阻尼随着水深增大而增大。所有自由度的附加阻尼中从数值上比较，载体横摇、纵摇附加阻尼最大，纵荡、横荡附加阻尼最小。横摇与横荡的附加阻尼相差3个数量级。

5 结语

本文通过对潮流能电站载体在深水及几种浅水水深下的数值计算，得到附加质量和附加阻尼等水动力系数的变化规律，得出如下结论:

1）在所有水深下，载体的3个水平面运动附加质量变化较为平缓，而3个垂向运动附加质量变化显著。

2）相对于深水条件下，所有6个运动附加质量都在水深小于20m时变化剧烈，水深大于20m时则趋于平缓。

3）数值上，载体6个运动附加阻尼都随水深增加而增加，且波浪周期在4～9 s时增幅较大。

4）总体上，由于载体在浅水中附加质量和附加阻尼的较大增加，垂荡、横摇、纵摇运动幅度将相对趋于缓和，从而给潮流能电站载体提供更安全稳定的航行环境，避免水轮机出水或触底现象的发生。

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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

国家自然科学基金资助项目(51279182）

陈鸶鹭(1989－），女，硕士研究生，研究方向为海洋结构物水动力性能。