系泊配重对浅水区浮式风力机动力学响应的影响

丁洁依，杨 阳，2，马 璐，石兆彬，王志峰

（1.宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315211；2.惠生（南通）重工有限公司，江苏 南通 226001；3.中国长江三峡集团有限公司科学技术研究院，北京 100038；4.上海惠生海洋工程有限公司，上海 201210）

0 引言

平台运动范围主要受到系泊系统约束，学者针对系泊设计参数对半潜式风力机平台动力学特性的影响展开了大量研究。韩志伟[2]在风浪耦合的基础上研究了3种漂浮式风力机在悬链线系泊系统的系泊长度、导缆孔位置等不同参数作用下的平台运动响应特性，发现导缆孔位置及系泊直径对漂浮式风力机纵荡位移的影响最大，对纵摇角度影响较小。覃泉龙[3]以系泊链预张力为切入点，优化了新型6 MW海上漂浮式风力机的系泊系统，分析了系泊预张力对风力机在额定及极端工况下的工作及生存能力的影响。沈意平[4]以NREL 5 MW风力机为研究对象，建立了系泊缆在松弛和张紧状态下的运动学方程，研究了不同工况下系泊缆的动态张力变化规律和风力机运动响应，结果表明，对系泊缆施加一定的预应力可以使系泊一直处于张紧状态。穆安乐[5]以NREL 5 MW的Spar式风力机为研究对象，开展了系泊半径、导缆孔位置和系泊缆长度对风力机稳定性的影响研究，从而得出系泊直径对风力机纵摇最大值没有影响，但对纵荡存在影响。Xu K[6]通过研究浅海中不同配重组成的悬链线和张紧式系泊系统，分析了不同设计下系泊系统对浅水区浮式风力机极端工况下性能的影响。Pan Q[7]通过耦合动力学分析研究了系泊配重质量对15 MW漂浮式风力机系泊峰值张力及系泊长度的影响，探讨了占地面积低的系泊经济性设计方案。Bruschi N[8]利用FAST进行了时域仿真，开展了系泊配重位置及质量两个变量对风力机运动响应特性影响的研究，发现系泊位置带来的影响要大于系泊配重质量。Liu Z[9]在研究中发现，占系泊缆总质量十分之一的配重可以降低波浪引起的风电平台的运动响应。刘亮[10]运用实验与研究相结合、数值模拟分析和装置电路设计的方法，开展了偏心S型风力机运动响应特性的研究。

以上研究多针对深水海域浮式风力机，而我国多为浅水海域，悬链线系泊拖地段较长，悬挂段较短，因此系泊提供的恢复力较小，配重对浮式风力机动力学特性影响更大[11]。因此，本文以半潜式偏心布置的5 MW风力机为对象，基于OpenFAST和水动力学仿真软件AQWA，开发了浮式风力机一体化仿真程序OpenF2A。通过OpenF2A分析了湍流风与非规则波联合作用时，配重质量对平台运动和系泊张力的影响程度，从而为浅水区浮式风力机系泊系统设计提供参考。

1 半潜式5 MW风力机模型

浮式风力机通常由风力机、平台和系泊系统组成。本文选用美国可再生能源实验室（NREL）开发的3叶片、变速变桨5 MW风力机，其额定风速为11.4 m/s。本文所选半潜式平台为WindFloat型（图1），其重心与风力机塔架不在同一垂线上，这类偏心式风力机具有平台结构载荷更低、稳定性更好和运行维护更加便利等优势。目前，已进入商用示范阶段的“三峡引领号”、“扶摇号”和Wind-Float均采用偏心布置设计方案。

图1 NREL 5 MW风力机Fig.1 NREL 5 MW wind turbine

平台和系泊的主要特性参数[11]如表1所示。WindFloat初始设计方案并未公布压舱水设计方案，只公开了平台纯钢结构的质量矩阵和重心等关键设计信息。为此，本文经过系统的稳定性分析和详细的平衡性计算，得到了合理的浮筒压舱水设计方案。表1中的平台质量信息包括平台外壳和压舱水。为提高平台在浅水海域的稳定性，系泊系统采用配重设计，配重与导缆孔段系泊长度为45 m。

表1 WindFloat半潜式浮式平台和系泊主要参数Table 1 Main parameters of WindFloat semi-submersible floating platform and mooring

2 全耦合仿真计算模型OpenF2 A

2.1 OpenFAST和AQWA

由NREL开发的OpenFAST软件是目前最常见的浮式风力机耦合仿真软件之一，其内置MAP++，MoorDyn和FEAMooring 3个模块，但仅MoorDyn可以用于系泊配重动态效应研究，且收敛性欠佳。

AQWA是ANSYS中的浮体水动力计算分析软件。AQWA具有频域和时域仿真功能，主要用于船舶、浮体等海洋工程结构水动力学分析，并不具备风力机气动-伺服-弹性仿真功能[12]。

FAST与AQWA的时域耦合接口（F2A）由Yang Y[13]经过详细验证，成功应用于多种形式浮式风电系统动力学分析，已在GitHub上开源，被国内外学者广泛使用。

此外，还有一点需要值得重视的是，游戏材料的选择要注意安全性。幼儿的年纪尚小，对于很多事物的认识尚且不足，这就要求我们再进行益智区游戏材料选择的时候要注意安全性。在幼儿园里，游戏材料的体积不能过小，避免幼儿的无知导致吞食而窒息，或者塞进鼻子、耳朵里；游戏的材料中尽量避免过于长的细线，可能会出现幼儿绊倒、摔伤或者是勒到脖子等行为；一些尖锐、锋利的游戏材料也不适合出现在幼儿园阶段，防止幼儿划伤、刺伤等。身为教师，我们要时时刻刻注意幼儿的安全问题，要知道幼儿园阶段的学生认知力不足，某些小事都会导致对幼儿的伤害，所以在游戏材料的选择上要格外注意，尽力避免对幼儿产生伤害的可能。

本文在F2A的基础上，实现了OpenFAST v3.0与AQWA耦合，并将F2A进一步升级为OpenF2A，从而可以在平台大幅度运动的情况下更为准确地计算叶片非定常气动力和结构动态大变形。

2.2 OpenFAST与AQWA耦合方法

虽然AQWA不具备风力机气动载荷计算、结构动力学求解和变桨变速控制仿真功能，但提供了一个外部载荷（External Force）接口，可通过动态链接库（DLL）传递外部载荷和平台运动。

为在AQWA中实现浮式风力机气动-水动-伺服-弹性耦合动力学仿真，本文通过修改OpenFAST源代码，将其用于气动-伺服-弹性仿真功能的程序，编译为可被AQWA调用的DLL（AQWA中具体名称为user_force64.dll）。通过user_force64.dll传递平台位移、速度和加速度等运动响应。OpenFAST与AQWA耦合计算过程如图2所示。

图2 OpenFAST与AQWA耦合计算流程图Fig.2 Flowchart of the coupling between OpenFAST and AQWA

3 仿真工况

为系统地研究系泊配重质量对风力机平台运动响应和系泊张力的影响，本文通过OpenF2A进行时域仿真，仿真时间为3 000 s，时间步长为0.005 s。仿真风速分别为4，8，11.4，18 m/s和24 m/s，根据文献[11]中的系泊配重取值，选取配重质量为5～65 t，间隔为10 t，从而定量分析配重质量对浮式风电机组动态响应的影响。此时配重与导缆孔段的系泊长度为45 m。

图3为平均风速为11.4 m/s时，通过TurbSim生成的仿真所需的三维湍流风场。

图3 平均风速为11.4 m/s时的湍流风场Fig.3 Turbulent wind filed with an average wind speed of 11.4 m/s

基于JONSWAP波浪谱生成的有义波高、谱峰周期和风速的对应关系如表2所示。

表2 有义波高、谱峰周期和风速的对应关系Table 2 Main parameters of wave height，peak period and wind speed

4 结果分析

4.1 额定风速下不同配重质量的影响

图4为不同配重质量时平台纵荡、垂荡、纵摇和艏摇的运动响应曲线。

图4 不同质量配重时平台运动Fig.4 Platform motions corresponding to different clump weight

由图4可知：与无配重时相比，配重为5 t时，纵荡变化较小，幅值略微减小；当配重为35 t时，纵荡平均值和最大值均显著减小，这是因为配重使悬浮段系泊处于较为张紧的状态，系泊水平张力更大，约束了平台的纵向运动范围；配重对垂荡、纵摇和艏摇的影响均不大，3种情况下平台运动的时域曲线几乎重合，仅存在细微差异。

图5为所有工况下纵摇和纵荡两个自由度的最大值和平均值，统计时间为600～3 000 s。

图5 平台运动响应最大值与平均值Fig.5 Maximum and average of platform motions

由图5可知：随着配重质量增大，纵荡最大值和平均值均逐渐减小，当配重质量为65 t时，纵荡最大值和平均值分别为24.30 m和14.10 m，较无配重时分别降低了33.06%和49.10%；纵摇对系泊配重质量大小敏感性较低，所有工况下的纵摇最大值和平均值均较为接近，分别为2.66°和4.99°，这是因为纵摇主要受到风倾力矩的影响，系泊提供的恢复力矩较小，因此配重质量对纵摇影响不大。

图6为不同配重质量时系泊导缆孔张力的变化。

图6 导缆孔张力变化Fig.6 Variations of tension in the moorings

由图6可知：有配重时，系泊张力更大；无配重时，系泊1张力最小，其平均值为0.30 MN；配重质量对位于上风向的系泊2的张力影响小于下风向的系泊1，且系泊2张力波动更为剧烈。这主要是因为在风载荷和波浪载荷的作用下，平台纵向位移较大，系泊处于一定的张紧程度，已经进入张力-拉伸量的非线性区域，平台运动对系泊张力的影响更大，从而造成系泊张力波动更为剧烈。

图7为不同配重质量时系泊张力的统计值。

图7 系泊张力最大值与平均值Fig.7 Maximum and average values of the mooring tension

由图7可知：与无配重时相比，当配重质量分别为5 t和35 t时，系泊1导缆孔处张力平均值分别增大了16.28%和115.28%；当配重质量为5 t时，系泊2张力最大值为1.45 MN，小于配重质量为35 t时的1.52 MN，比无配重时的1.44 MN增加了0.01 MN。

4.2 不同风速工况下不同配重质量的影响

图8为不同风速工况下平台运动和系泊张力平均值随配重质量的变化曲线。

图8 不同风速下平台运动和系泊张力平均值随配重的变化趋势Fig.8 Variation trends of average platform motions and mooring tensions versus clump-weight under different wind conditions

由图8可知：随着配重质量增大，纵荡平均值在所有风速下均呈现减小的趋势，在高风速时这一变化趋势更为明显；在所有风速下，纵摇平均值随着配重质量的增大而增大，但增大幅度较小；在风速为24 m/s的工况下，无配重时纵摇平均值为1.17°，配重质量分别为25，45 t和65 t时，纵摇平均值分别为1.27°，1.34°和1.38°，较无配重时分别增大了8.55%，14.53%和17.95%。

在所有风速下，随着系泊配重质量的增大，系泊张力均呈现出显著增大的变化趋势，且增大比例与配重质量近似为线性关系。在风速为24 m/s的工况下，无配重时位于下风向的系泊1张力为3.19 MN，配重质量为15 t时，张力增大了1.48 MN。配重质量每增大10 t，系泊1张力增大约0.99 MN。位于上风向的系泊2张力在无配重时为7.57 MN，配重质量为5 t时，张力增大了0.32 MN。随着配重质量每增大10 t，系泊2张力增大约0.82 MN。在配重质量为65 t时，系泊2张力较无配重时增大了75.69%。

以上结果说明，在不同风速下，系泊配重质量对平台运动和系泊张力的影响程度和趋势均一致。

5 结论

本文基于AQWA和OpenFAST建立了浮式风力机全耦合仿真模型，计算了不同配重时风-浪环境下5 MW偏心布置的浮式风力机的平台运动和系泊张力，定量分析了配重质量对浮式风力机动力响应的影响，得到以下结论。

①配重质量对平台纵荡具有一定的抑制作用，配重质量越大纵荡越小，当配重质量为65 t时，纵荡平均值为14.1 m，较无配重时降低了49.10%。但配重质量对平台垂荡、纵摇和艏摇的影响均不大。

②有配重时系泊张力更大，特别是位于下风向的系泊1对配重质量更敏感，配重质量对位于上风向的系泊2的张力影响相对较小。无配重时，系泊1张力平均值为0.30 MN，配重质量为5 t和35 t时，系泊1张力平均值分别为0.35 MN和0.65 MN。

③不同风速下，系泊配重质量对平台运动和系泊张力的影响程度和趋势均一致，配重质量增大比例与系泊张力增大比例近似呈线性关系。