极端工况下导管架基础风能-潮流能集成结构的研究

王世明，丁成林，吴爱平，冯凯亮，潘 健

（1.上海海洋可再生能源工程技术研究中心，上海 201306；2.上海师范大学 天华学院，上海 201815；3.上海海洋大学 工程学院，上海 201306）

0 引言

海上风力发电与潮流能发电作为两种可持续的绿色发电方式，正逐渐替代传统能源发电模式。由于深海域风速稳定、风切变小以及湍流度小等特点，海上风电向深海域发展是大势所趋，在风能丰富的水域，潮流能资源也相对富集，如果将两者的能源转换系统集成在同一个支撑结构上，不但可以有效地利用海域空间，还有利于其商业化发展。

目前，国内外对海洋可再生能源集成利用研究处于初步探索阶段，在已有的风能-潮流能集成示范工程中，采用导管架基础作为支撑结构的方案较为常见。江俊杰等[8]对提出一种导管架风机基础与养殖网箱结合的设计方案，利用导管架基础内部空间进行养殖，并对波流耦合作用下整体结构进行静力分析，验证了方案的可行性。高腾飞等[9]通过CFD计算、APDL命令流和实验等方法，研究了海洋导管架平台与垂直轴水轮机集成的新型结构的强度、刚度及水动力性能。Pasin Plodpradit等[10]对导管架基础进行自由振动和耦合动力学分析，结果表明，导管架基础动力响应受环境载荷、结构刚度的影响显著。张坤等[11]探讨了导管架结构在多载荷作用下的动力响应特性，揭示了其在极端环境下的结构特性与失效机理。Constantine Michailides等[12]基于物理模型试验和数值分析的基础上，研究了海上风浪耦合时域数值模型在不同运行工况下的性能。Saleh Jalbi等[13]发现并验证了通过优化导管架基础竖向刚度与上部结构侧向刚度之比、导管架—塔架几何结构的长宽比，可以有效控制导管架基础的摇摆频率。

本文提出一种导管架基础风能-潮流能集成结构，采用ANSYS软件进行仿真计算，分析集成结构在极端工况下的位移变形量及应力分布情况，为海上多能源集成发电研究提供理论依据。

1 导管架基础风能-潮流能集成结构系统概述

导管架基础是海上风电平台的主要形式，上部主要由甲板、梁等组成，下部主要由导管架、钢桩等组成，具有足够的刚性，能适应复杂的海洋环境。潮流能具有较高的能量密度，在海洋能利用开发上拥有巨大的潜力[14]。将导管架基础作为支撑结构，以整合海上风电、潮流能发电，建立更高效的海上多能源集成发电系统。

1.1 风力发电机组结构参数

以上海东海风电场5MW大容量样机工程为背景，本文选用华锐风电科技有限公司制造的SL5000风机组，该风机组主要由机舱、轮毂、叶片、塔筒和基础五部分组成，其中塔筒重约366t，机舱重约281t，轮毂重约60t，叶片重约23t（3个叶片），四根桩腿在每个侧面由六个斜撑导管呈X型交叉连接，底端尺寸为27m×27m，顶部尺寸为14m×14m，导管架外径为1.6m，壁厚为0.034m，斜撑导管外径为0.8m，壁厚为0.025m，具体参数如表1所示[15]，导管架基础三维模型如图1所示。本文所选用的基础形式为导管架基础，对于发电机组系统（发电机组、轮毂和叶片）本文不作详细研究，均简化成质量点进行计算。

图1 导管架基础三维模型

表1 SL5000风力发电机组主要相关参数

1.2 潮流能装置结构参数

本文选用上海海洋大学海洋工程研究所设计的一台40W水平轴潮流能装置，具体参数如表2。水轮机主要由叶轮，三相异步永磁电动机和管道组成，其三维模型如图2所示。其发电原理是潮流通过两端的导流罩进入管道内，冲击水轮机叶轮，叶轮旋转启动内置的三相异步永磁电机发电[16]。

表2 水平轴潮流能装置主要参数

图2 潮流能装置三维模型

1.3 材料参数

用于导管架基础的钢材为DH36高强度钢，密度为7.85×103kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为2.06×105MPa，屈服强度为σs=335MPa，抗拉强度490～620MPa。水平轴潮流能装置的导流罩及叶轮所采用的钢材型号均为45钢，密度7.85x103kg/m3，泊松比0.31，弹性模量2.1×105MPa。

2 载荷工况

导管架风机基础与潮流能装置均处于复杂的海洋环境中工作，在运行过程中除了受到自身重量载荷，还受到风、浪、流载荷等其他海洋环境荷载[17]。本文研究的导管架风机基础位于我国东海某海域，该海域无冰冻情况，且地震发生概率极小，所以冰载荷与地震载荷的分析在本文中未作考虑。

2.1 风载荷

目前，研究风机叶轮所受风荷载的方法主要有动量理论和叶素理论，动量理论用来描述作用在叶轮上的力与风速之间的关系[18]，本文根据动量理论，施加在风机上的载荷PH的计算公式如式(1)所示：

式(1)中，CFB为相关系数，根据动量定理中的Bezt理论，一般取8/9；ρ为空气密度，一般取1.297kg/m，Vr为额定风速，A为有效扫风面积。

对于塔筒结构所受的风载荷，本文选择在定常风情况下进行数值模拟。根据动量定理，在一定高度Z处，作用在塔筒上的单位长度风荷载大小为f(z)，其表达式如下：

Cd为阻力系数，一般取值1.2，ρ为空气密度，一般取1.297kg/m，D为塔筒截面直径，Vz为高度为z处的风速。

2.2 波浪载荷

海水受到海风和气压变化的影响，形成周期性的起伏运动产生波浪，波浪载荷在海洋工程结构物的设计及力学分析中是非常重要的因素，其载荷计算可采用Morison方程推导出，表达式如式(3)所示：

式(3)中，fw为垂直于管桩上的波浪力，CD为拖曳力系数，CM为惯性力系数，ρw为海水密度，取1.025×103kg/m3，D为桩径，u为管桩轴线处水质点的水平方向速度。本文设计的水深为50m，参考API，DNV采用的Stokes五阶波浪理论，取CD=1.0，CM=1.2。

2.3 海流载荷

海流是一种相对稳定的海水运动，海流载荷是指由海流作用在海洋工程结构上而产生的载荷，它主要是由于风的拖曳、潮流的作用等引起的[19]。对于导管架基础水下部分所受的海流载荷可参考Morison公式来计算，表达式如式(4)所示：

式(4)中，Fc为圆形桩柱单位长度上的海流力，CD为阻力系数，ρ为海水密度，D为桩径，umax为海流的最大流速。

2.4 海域工况

根据东海某海域水文资料[20]，在海域工况分析中设定极端工况，开展流场载荷分析及有限元分析，本文模拟仿真时设定的载荷参数如表3所示。

表3 极端工况载荷参数

3 流场载荷分析及结果

将建立的三维模型导入ANSYS中，利用Fluent流体仿真模块对水平轴水轮机和导管架水下部分进行数值计算，研究极端流速下叶轮的水动力性能及导管架水下部分的流场分布，并计算出两个模型在水中受到的总体压力，基本流程如图3所示。

图3 流畅载荷分析基本流程图

3.1 水平轴水轮机的流场载荷分析

水轮机是水平轴潮流能装置的关键部件之一，在Solidworks2018软件中建立水轮机模型，叶片数量为4，叶轮旋转半径为2.0m，设置转速为40rpm，导入Mesh中划分网格。由于水轮机轴心处于海域中层深度位置，所以极端海流速度取表3中2.12m/s代入下列计算中，模拟水轮机附近的流场变化，再通过Fluent计算其流体总压力。图4为水轮机网格模型。

图4 水轮机网格模型

如图5所示，压力较大部分出现在水轮机迎流处，大约为4.2KPa，叶片外缘处速度最大，大约为7.87m/s，流体沿着翼型流向改变较小，水轮机在极端工况下，叶轮周围的漩涡轨迹平稳，说明此时获能效率较高，同时仿真结果也与课题组之前对本文中采用的水平轴潮流能装置叶轮部分的最优流速为2m/s左右的实验结论相符合[21]。通过Fluent计算得出水轮机在极端海流速度下受到的流体总压力为43.927KN。

图5 水轮机的流场分析

3.2 导管架基础的流场载荷分析

导管架基础在海水中高度为50m，基础水下部分受到海流的冲击，将三维模型导入ANSYS中，并在Mesh中划分导管架基础和流体域网格，如图6所示。设置极限流速2.12m/s，模拟导管架基础附近的流场分布情况，并计算其流体总压力。

图6 导管架基础网格模型

由图7可观察到，导管架迎流处面受到的载荷压力比较大，且最大值为4.07Kpa，导管架水平截面最大速度4.97m/s，出现在海流表层，而海流底层处的导管架压力和速度较小，说明波流耦合力随着水深的增加而减小。通过FLUENT计算得出，当流速为2.12m/s时，导管架基础水下部分的总流体压力为1090KN。

图7 导管架基础的流场变化

4 有限元分析及结果

海上风机导管架基础与潮流能装置集成利用，水轮机受到的潮流载荷将会附加到导管架基础上，因此可以考虑用ANSYS-APDL模块建立有限元模型，并进行数值模拟计算。综合分析极端工况下，导管架风机基础的强度、刚度，确保整个集成结构的安全性和可靠性。

4.1 导管架基础模型的建立

整个导管架基础模型采用四种单元类型PIPE59、PIPE20、BEAM188及MASS21分别对水下部分、泥下部分、水上部分及塔筒顶部导管架进行模拟，根据这四种单元的顺序对整个几何模型进行网格划分，生成计算分析的有限元模型，如图8所示。

图8 导管架的有限元模型

4.2 静力分析及结果

在对导管架基础进行静力分析之前，需要对相位角进行360度的搜索，找到波浪入射角为0°、45°时，波流耦合力达到极值时的相位角取值[22]，然后利用MATLAB软件将分析结果拟合成波流耦合力—相位角关系曲线。

从图9中可以看出，当波浪入射角为0°时，波流耦合力在相位角为71°时达到极值，为1,402,555N。当波浪入射角为45°时，波流耦合力在相位角为72°时达到极值，为1,377,697N。为了考虑导管架基础受力的最不利工况，所以取最大相位角71°作为输入角度进行静力分析。

图9 波流耦合力—相位角关系曲线

将建立的导管架平台模型读入Mechanical APDL程序中，选择Solution，建立New Analysis，设置分析类型为Static，再将导管架四个桩腿进行位移约束，同时对整个结构施加波流载荷并定义重力场，最后进入Solve中的Current LS求解计算模块。在后处理界面中打开位移云图和单元等效应力云图，如图10、图11所示。

图10 位移云图

图11 等效应力云图

由图10～图11可知，整个结构最大的位移发生在塔筒与风机的连接处，最大位移数值为0.313m，结构的最大应力为122MPa，发生在导管架桩腿的底部位置。

4.3 模态分析及结果

Block Lanzcos法能很好地处理刚体振型，适用于分析大中型模型。通过模态分析计算，可以求解得到导管架基础结构的自然频率和振型，其分析结果可以作为瞬态动力分析的基础[23]。进行模态计算时，需重新进入ANSYS求解器，选择Solution，建立New Analysis，设置分析类型为Modal。通过计算得到的前10阶自振频率结果如表4所示，提取前6阶并观察其模态振型变化，如图12所示。

表4 导管架基础前10阶固有频率

图12 前六阶振型图

由前六阶振型图可以看出，结构的前两阶振型都是塔筒的摆动较为明显，到了第三阶振型才出现导管架基础下部结构的振动，第五阶导管架与潮流能装置连接部分变形较大。由于低阶模态振幅最大，在同样量级的激励作用下，响应所占的权值大一些，所以也最危险。本文所选取的波浪周期为9.8s，波浪荷载频率0.102Hz，而本文导管架风机基础第一阶模态自振频率为0.4859Hz，所以能有效避免共振现象。

4.4 瞬态动力分析及结果

波流载荷是一种随时间变化的载荷，对导管架基础的动力响应影响较大，所以本节将进行波流载荷冲击下导管架基础的结构瞬态动力分析。根据模态分析所得到的阻尼系数α=0.1737、β=0.003046进行瞬态动力分析，设置瞬态动力的时程分析作用时间为200s，时间间隔0.2s，由9可知，该波浪作用力最大作用相位角为71°，作用力的大小为1,402,555N，由此对导管架基础进行瞬态动力分析时设置以上参数，并对导管架四个桩腿进行位移约束，对整体结构施加重力载荷。设置完之后对其进行solution求解，进入时间历程后处理器，绘制应力和位移随时程变化的曲线。

由图13可知，在波流作用的前三个周期内，导管架结构的应力和位移大幅度波动，产生的振动频率较大，应力相对集中。从第四周期开始，导管架结构的应力和位移呈周期变化，与波浪周期近似。

图13 导管架基础时程曲线图

4.5 导管架基础风能-潮流能集成结构载荷分析

水平轴潮流能装置通过四根铰链安装固定在导管架基础的四根支撑管桩上，如图14所示。在海水中，导管架基础风能-潮流能集成结构主要受到海流载荷作用，海面以上主要受到风载荷与波浪载荷作用，在极端工况下，入射相位角为71°，风速25m/，海流流速2.5m/s，载荷具体参数如表5所示。然后将水轮机和导管架基础流场载荷数据导入ANSYS中综合计算求解，探究集成结构受力情况，得到集成结构位移云图及等效应力云图。

图14 导管架基础风能-潮流能集成结构三维模型

表5 极端工况下载荷参数表

由图15、图16可知，集成结构所受最大应力为77.3Mpa，发生在桩柱与水轮机连接处，最大位移为0.232m，发生在塔筒顶部，整个集成结构的导管架基础部分没有发生严重变形，基本符合设计要求。

图15 位移云图

图16 等效应力云图

5 结语

1）利用FLUENT计算仿真，在极端流速2.12m/s下，水轮机所受最大压力为43.927KN，导管架基础所受最大压力为1090KN。

2）选取Block Lanzcos法进行模态提取分析，得到导管架结构一阶振型的频率为0.4859Hz，未达到本文参考的波浪频率，所以能有效避免共振现象。

3）通过对集成结构施加最大静荷载，可知最大位移为0.232m，由于塔筒高度为65m，所以最大位移为总高度的0.356%，小于1%，满足规定的刚度要求。同时还可以得到此结构的最大有效应力为77.3MPa，满足结构所用钢材的屈服强度。

4）通过加装水平轴潮流能装置后，导管架风机基础最大位移由0.313m减少至0.232m，降低25.9%，最大有效应力由122Mpa减少至77.3Mpa，降低36.7%，这说明水平轴水轮机工作时形成的扰流能分散部分潮流对导管架基础的水平冲击力。