波浪载荷作用下浮式风机平台基础设计及运动响应研究

茅蓉蓉

（江苏航运职业技术学院,江苏 南通 226010）

风能作为一种可再生能源，具有蕴藏量大、清洁等诸多优点，已成为新能源开发不可忽视的领域之一，不仅满足国家可持续发展的战略需求，亦是我国实现“碳中和”目标的重要支撑[1]。目前浅海资源开发逐渐趋于饱和，深海风资源丰富，我国海上风电逐渐向深海发展[2]。漂浮式海上风力机作为深远海风能开发的必要技术手段，已成为目前海上风能利用研究的重要方向。

张剑锋等[3]建立了半潜式平台的运动数学模型，利用ANSYS AQWA软件分析了平台的动态响应，验证了平台系泊系统的可靠性。施伟等[4]以南海海况下半潜浮式风机为研究背景，采用ANSYS AQWA分析软件，对浮式风机在南海典型海况下的动力学响应进行了分析,探究了故障工况下半潜式平台的动力学响应。周红杰等[5]利用ANSYS AQWA水动力分析软件对NREL（美国国家可再生能源实验室）5MW的半潜式浮式风机进行动态响应数值模拟分析，研究了波浪对平台运动的影响。综上，ANSYS AQWA商业软件作为漂浮式海工结构水动力学数值计算专业工具，受到广大研究者的青睐。

相较于传统固定式风机，浮式风机所处的外部环境及其载荷更加恶劣，对于运动响应的预测难度更大，因此漂浮式海上风力机结构的安全性能成为研究重点与难题[6]。为了提高浮式风机平台的稳定性，透孔型结构常被应用于结构物设计来达到消波的目的[7]，例如透孔型垂荡板、圆筒状消波装置等。

柳淑学[8]为研究开孔对垂荡板水动力特性的影响，采用强迫振动试验方法对不同开孔率的垂荡板的附加质量系数和黏性阻尼系数进行了研究，对相同开孔率不同开孔孔径垂荡板的水动力特性进行了比较分析。陆志强[9]探究了不同倒角开孔数的垂荡板对单浮筒的水动力响应特性，以试验和数值模拟对比论证的方法得到规律结果，研究结果表明在高频大波高的情况下，开孔的减荡装置相对不开孔模型有着更好的减荡效果。Chakrabarti[10]提出一种优化平台垂荡响应的方法，即在半潜式平台上加装桁架式浮筒结构，研究发现加装桁架式浮筒结构在系统垂直方向运动中引入了较大的附加质量和阻尼，从而改善共振问题对结构物造成的不利影响。Srinivasan[11]将流体动力加重质量和分离流阻尼的概念应用于大型深水平台设计中，选取加装桁架式浮箱结构的半潜浮式平台进行实验，研究结果表明垂荡RAO的幅值只在固有周期附近出现，其他的RAO响应均相对降低。

本文以5MW OC4-DeepCwind半潜浮式平台[12]作为研究对象，根据半潜浮式风机平台结构特性，研发了一种可以提高消波、吸波性能的带透孔的筒状消波装置。利用商业软件ANSYS AQWA建立半潜浮式平台加装消波装置的耦合模型，并进行数值模拟，对消波装置的减摇效果进行了研究分析，其结果能够反映消波装置对平台结构的影响，为平台的设计制造提供参考意见。

1 数值方法

1.1 波浪载荷

根据三维势流理论，入射波速度势可由线形波理论（也称Airy波浪理论）求解。Airy波理论适用于各种水深，具备良好的适应性。本文采用Airy波理论建立波浪模型，假设流体为均匀、不可压缩、无黏、无旋的理想流体，自由液面表面气压等于大气压；流体受到的质量力仅考虑重力；流体质点处于缓慢运动中，且波浪的振幅远小于波长[13]。令坐标轴原点位于静水面上，z轴正方向为垂直向上，可以得到该坐标系下的Airy波波面方程：

式（1）中，η为波面高度；A为波幅；β为波向角；x、y为描述水质点位置的坐标。在无限水深的情况下，Airy波的弥散关系如下：

半潜浮式风机平台是大尺度构件，波浪对平台的作用力分为波浪激振力和辐射力。求得流体辐射势和绕射势，通过伯努利方程得到作用在浮体湿表面各点上的线性动水压力[15]：

对流体动压力沿平台结构表面积分，获得作用于平台的水动力和力矩如下：

1.2 运动方程

根据刚体动力学理论，当平台工作的工况为规则波时，半潜式风机浮式平台的时域运动方程表达式为

2 浮式平台加装消波装置耦合系统设计

2.1 模型参数

本文采用美国国家可再生能源（NREL）设计的5MW OC4-DeepCwind半潜浮式平台作为研究对象，研究不涉及风的影响，尽管计算模型不带有风力涡轮机，但考虑到了整体浮式风机系统的质量、重心、转动惯量等属性。5MW OC4-DeepCwind平台系统的主要参数见下表1半潜式平台模型，主尺度如图1所示。

图1 平台模型主视图

表1 半潜式浮式平台参数

2.2 系泊系统及其参数

为模拟浮式海洋平台动力定位，并对浮式海洋平台水平方向运动进行一定的约束，采用3根水平系泊缆系固于浮式平台3个立柱上，相邻系泊缆之间呈120°夹角。系泊系数如表2所示，系泊方式示意图如图2所示。

图2 系泊方式

表2 系泊系数

2.3 消波装置设计

在原始半潜浮式平台上加装一种可以提高消波、吸波性能的带透孔的筒状结构，根据5MW OC4-DeepCwind半潜浮式平台的主要参数，初步确定了消波装置的基础尺度参数，取孔的直径为5 m，孔间距为1.5 m，并将其固定在立柱下端，对加装优化结构后的浮式平台进行水动力分析，探究优化后的平台能否达到消波的作用。加装消波装置后的半潜浮式平台结构示意图如图3～图5所示。

图3 加装消波装置平台主视图

图4 加装消波装置平台俯视图

图5 加装消波装置平台侧视图

3 优化平台水动力性能分析

本文应用ANSNY AQWA软件分别对5MW OC4-DeepCwind（以下简称OC4）原始半潜浮式平台和加装消波装置平台进行建模和水动力性能分析，通过数值模拟结果对比，探究筒状消波装置能否对平台起到消波减摇的作用。对于上述两种浮式平台，设定规则波工况条件如下：（1）来浪角度0°～315°，每隔45°设置一个计算方向；（2）浪高11.3 m、波浪周期为11.8 s；（3）平台工作水深为200 m。

3.1 平台加速度响应分析

在浮式平台在风浪作用下，平台重心位置在横向和纵向的加速度比较大，因此在数值计算时，分别提取在纵荡、横荡两个方向的加速度。OC4原始半潜浮式平台和加装消波装置平台在纵荡、横荡方向最大加速度以及水平方向的最大合加速度如图6所示。

图6 两种平台的纵荡、横荡、水平方向最大加速度对比

从两种平台的纵荡方向最大加速度对比图可以得知：

（1）当浪向角设置为45°时，原平台水平方向最大加速度最小，为1.23 m/s2；

（2）当浪向角设置为90°时，加装消波装置平台水平方向最大加速度最小，为1.27 m/s2；

（3）当浪向角设置为0°时，原平台和加装消波装置平台水平方向最大加速度均最大，分别为1.50 m/s2、1.73 m/s2；

（4）当浪向角设置为45°、90°、225°、270°、315°时，两种平台水平方向最大加速度较小，平台瞬时运动较为稳定；

（5）当浪向角设置为0°、135°、180°时，两种平台水平方向最大加速度较大，平台瞬时运动较为剧烈，较大的运动响应会导致风机平台发电效率下降等问题。

整体而言，加装消波装置平台水平横荡最大加速度、纵荡最大加速度、水平方向最大加速度变化趋势基本与原平台保持一致，因此外加消波装置对水平方向加速度影响不大。

3.2 系泊缆张力分析

通过对原平台和加装消波装置平台的三根系泊缆绳张力进行监测，研究缆绳在不同浪向角环境载荷作用下张力情况，原平台和加装消波装置平台的系泊缆最大张力如图7所示。

图7 两种平台系泊缆最大张力对比

通过对两种平台系泊缆最大张力数据分析可得：

（1）由于两种平台均为关于中线面对称布置，所以当环境载荷变化时，系泊缆所受张力同样呈对称性，系泊缆最大张力随浪向角变化规律一致；

（2）与原平台相比，加装消波装置平台的系泊缆最大张力变化范围更小，分布更均匀，且均保持在系泊缆绳可承受范围内，故在不同浪向角情况下加装消波装置平台均可处于安全工作状态。

3.3 平台六自由度运动响应分析

对原平台和加装消波装置平台的六自由度运动响应进行数值模拟，原平台和加装消波装置平台的六自由度运动响应幅值如图8所示。

图8 两种平台的六自由度运动响应幅值对比

通过两种平台的六自由度运动响应幅值对比可知，加装消波装置在横摇自由度上的减摇效果最为显著。当浪向角为90°时，加装消波装置平台的最大横摇运动幅值减小90.17%，在其他浪向角下，横摇运动幅值均有不同程度的减小；在纵摇自由度上，当浪向角为90°时，最大纵摇运动幅值减小80.40%；在各浪向角情况下，加装消波装置对平台横荡、纵荡、垂荡、艏摇自由度运动的影响较小。综上所述，加装消波装置对半潜浮式平台的摇晃抑制以及平台整体水动力性能优化具有显著效果。

4 结论

本文根据5MW OC4-DeepCwind半潜浮式平台的结构特性，研发了一种带透孔的筒状消波装置。基于三维势流理论、Morison理论和波浪理论，利用商业软件ANSYS AQWA建立半潜浮式平台加装消波装置的耦合模型，并在一定海况下对原平台和加装消波装置平台的水动力性能进行对比分析，得出以下研究结论：

（1）在相同波浪工况下，外加消波装置对平台水平方向加速度的影响极小；与原平台相比，加装消波装置平台的系泊缆最大张力变化范围更小，分布更均匀，且均保持在系泊缆绳可承受范围内，故在不同浪向角情况下加装消波装置平台均可处于安全工作状态。

（2）在平台运动响应方面，消波装置的摇晃抑制作用主要体现在平台的横摇运动上，当浪向角为90°时，加装消波装置平台的最大横摇运动幅值较原平台减小90.17%，加装消波装置平台表现出优于原平台的水动力性能。

（3）使用ANSYS AQWA软件，采用时域分析方法可较好模拟平台在规则波工况下的运动响应变化趋势，但响应幅值与实际值还存在差距。若要更准确地预报平台运动响应、分析加装消波装置对平台运动产生的减摇机理，还应综合考虑黏性阻尼等因素，并进一步探究强非线性载荷下加装消波装置对平台水动力性能产生的影响。