漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究

海上風(fēng)電SOUTHERNENERGYCONSTRUCTION漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州510663；2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津200240）摘要目的］為了尋求經(jīng)濟(jì)有效的漂浮式風(fēng)機(jī)水動力性能提升方案，研究了加裝垂蕩板的設(shè)計(jì)方案，從而提升浮體水動力阻尼性能和減搖效果，最終改善漂浮式海上風(fēng)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定性。［方法］以10MW半潛型浮式風(fēng)機(jī)為例，通過計(jì)算流體力學(xué)的方法，探討了垂蕩板結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)參數(shù)對于提升漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)水動力阻尼的效用，尋找出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。［結(jié)果］經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的垂蕩板結(jié)構(gòu)垂蕩阻尼較原結(jié)構(gòu)增大14.9%，搖擺阻尼增大19.1%，而“梅花形”邊緣垂蕩板垂蕩運(yùn)動阻尼較原始模型提升36.98%。［結(jié)論］揭示泄渦產(chǎn)生與垂蕩板水動力阻尼改善的形成機(jī)理，創(chuàng)新性地提出“梅花形”垂蕩板結(jié)構(gòu)，有效改善浮體垂蕩運(yùn)動的阻尼性能，上述結(jié)論為此類漂浮式海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)工作提供重要參考。關(guān)鍵詞：海上浮式風(fēng)機(jī)；垂蕩板；水動力粘性阻尼；計(jì)算流體力學(xué)DesignandResearchontheFoundationDampingStSemi-SubmersibleFloatingOffshoreWindTurbinesf2095-8676?2021EnergyChinaGEDI.PublishingservicesbyEnergyObserverMagazineCo.，Ltd.onbehalfofEnergyChinaGEDI.ThisisanopenaccessarticleundertheCCBY-NClicense（/licenses/by-nc/4.0/）.收稿日期：2021-08-31修回日期：2021-09-12基金項(xiàng)目：中國博士后基金資助項(xiàng)目“臺風(fēng)工況下的漂浮式海上風(fēng)機(jī)動力特性及抗臺策略研究”（2020M682995三亞崖州灣科技城重大研發(fā)項(xiàng)目“漂浮式基礎(chǔ)平臺風(fēng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究”（SKJC-2020-01-005中國能建廣東院科技項(xiàng)目“10MW級半潛型漂浮式海上風(fēng)機(jī)耦合動力特性與安第3期陳嘉豪，等：漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究19由于傳統(tǒng)化石能源的過度開采與使用導(dǎo)致氣候變化和環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重，使得能源開發(fā)轉(zhuǎn)向可再生的綠色能源。近年來，隨著大容量機(jī)組技術(shù)的日漸成熟，以海上風(fēng)電為代表的綠色能源在國內(nèi)外蓬勃發(fā)展。GWEC市場展望，預(yù)計(jì)到2023年，海上風(fēng)電新裝機(jī)容量將會超過55GW［1］并將助力全球碳達(dá)峰目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。隨著近岸優(yōu)質(zhì)風(fēng)場資源逐漸被開發(fā)殆盡，海上風(fēng)電未來將不斷走向深遠(yuǎn)海。在過去，近海淺水風(fēng)場主要以著床式的固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為主，包括單樁、導(dǎo)管架等，這些基礎(chǔ)通常需要進(jìn)行海上樁基施工作業(yè)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)頻域介于1倍到3倍風(fēng)輪轉(zhuǎn)子頻率之間，隨著水深的進(jìn)一步增加，基礎(chǔ)造價(jià)和施工成本將急劇上升［2］。相比而言，漂浮式海上風(fēng)機(jī)則屬于順應(yīng)式柔性結(jié)構(gòu)，通過系泊與海床連接，基礎(chǔ)造價(jià)和施工安裝成本隨水深變化的敏感度較傳統(tǒng)固定式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)低，未來有望通過技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，進(jìn)一步提高其經(jīng)濟(jì)競爭力［3］。漂浮式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)形式借鑒于過往船舶與海洋工程的相關(guān)浮體經(jīng)驗(yàn)，可大致劃分為半潛型式，立柱型式，張力腿型式和駁船型式［3如圖1所示。目前，在歐洲和日本已經(jīng)有部分漂浮式樣機(jī)和小規(guī)模商業(yè)化漂浮式風(fēng)場建設(shè)投產(chǎn)［4-6］。ETI預(yù)測，漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)將在亞洲、美國和歐洲具有廣闊的市場空間和發(fā)展圖1海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式［3］Fig.1Foundationformofoffshorewindturbines［3］然而，相比于傳統(tǒng)的海上風(fēng)機(jī)固定式基礎(chǔ)，漂浮式風(fēng)機(jī)在風(fēng)浪環(huán)境下，自身運(yùn)動幅度、速度和加速度都比較大，容易造成風(fēng)輪入流風(fēng)速的劇烈變化，湍流度增加，給功率穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)安全帶來較大的挑戰(zhàn)。因此，如何以較低的成本有效地提升漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的運(yùn)動阻尼，從而優(yōu)化基礎(chǔ)運(yùn)動特性，是一個重要且現(xiàn)實(shí)的研究課題之一。傳統(tǒng)船舶減搖方式，包括減搖鰭、舭龍骨、減搖水艙等，而油氣平臺則更普遍地采用垂蕩板結(jié)構(gòu)。垂蕩板是一種簡單而有效的浮體水動力性能調(diào)節(jié)裝置，一方面可以通過改變浮體的運(yùn)動附加質(zhì)量，從而調(diào)節(jié)浮體的垂蕩固有周期，另一方面則通過垂蕩板邊緣泄渦而增加系統(tǒng)的垂蕩阻尼。漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)作為無動力浮體結(jié)構(gòu)，可參考借鑒油氣平臺的垂蕩板結(jié)構(gòu)，探索垂蕩板結(jié)構(gòu)對漂浮式風(fēng)機(jī)的阻尼調(diào)節(jié)作用。在以往，已有一些研究開始關(guān)注垂蕩板的水動力特性。Thiagarajan和Troesch［8］通過對裸圓柱體進(jìn)行水池強(qiáng)迫試驗(yàn)，表明試驗(yàn)柱體底部的圓盤能有效的產(chǎn)生垂蕩阻尼，并且阻尼大小與震蕩幅度有關(guān)。吳維武等人［9］采用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對不同形狀和開孔率的垂蕩板的水動力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明不同的KC數(shù)范圍，開孔對垂蕩板阻尼的影響不盡相同。目前，一些半潛型漂浮式風(fēng)機(jī)的平臺設(shè)計(jì)也借鑒垂蕩板，以優(yōu)化平臺5MW半潛型浮式風(fēng)機(jī)的縱搖運(yùn)動進(jìn)行了水動力研究，結(jié)果表明平臺縱搖運(yùn)動速度最大的時候，垂蕩板邊緣泄渦產(chǎn)生的阻尼也達(dá)到極大值，有效地提升水動力阻尼。雖然部分研究者已經(jīng)開始關(guān)注到了垂蕩板在優(yōu)化漂浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動性能的潛力，但是關(guān)于垂蕩板的設(shè)計(jì)及漂浮式風(fēng)機(jī)阻尼的改善特性研究仍然不足。因此，本文將針對國內(nèi)海域普遍適用的半潛型浮式風(fēng)機(jī)開展垂蕩板阻尼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及阻尼性能的定量化研究，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)提供有益的參考。1浮式風(fēng)機(jī)平臺阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)本文采用的漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)為OO-Star漂浮式風(fēng)機(jī)，該浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)是一個“Y”型浮筒結(jié)構(gòu)，中間設(shè)計(jì)錐形立柱結(jié)構(gòu)以支撐DTU10MW風(fēng)機(jī)，外圍設(shè)置三個立柱結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)形式和尺寸如圖2所示。浮式基礎(chǔ)的原始設(shè)計(jì)水深為130m，吃水為22m，排水量2.3509×104m3。具體結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1，更多的基礎(chǔ)細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)［11］。20南方能源建設(shè)第8卷R10DSDR10DSD?12.05?16.2?13.4?15.8?22.8?22.8圖2漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)視圖Fig.2DimensionoftheOO-Starfloatingoffshorewindturbines表1OO-Star漂浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1BasicparametersoftheOO-Starfloatingwindturbines名稱數(shù)值基礎(chǔ)質(zhì)量/kg（不包括塔筒和系泊，含壓載）7重心距水面距離/m-15.22599塔柱低端距水面距離/m排水量/m34浮心距水面距離/m1.2阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本文在原有垂蕩板的基礎(chǔ)上，改進(jìn)垂蕩板的結(jié)構(gòu)型式，包括垂蕩板外伸尺寸、垂蕩板的甲板和底板外伸（本文稱為邊鋒見圖3。原模型垂蕩板圓盤直徑22.8m，高0.5m，無邊鋒延伸。為了研究垂蕩板形狀參數(shù)對浮體水動力阻尼的影響，設(shè)置對照模型。模型垂蕩板的圓盤直SS(b)垂蕩板幾何定義(b)垂蕩板幾何定義圖3阻尼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3Diagramoftheheave-platestructure徑D分別為22.8m、23.8m、24.8m；邊鋒延伸部分寬度S分別0.2m、0.4m、0.6m；垂蕩板高H分析阻尼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動衰減特性。阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案表2阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案Tab.2Designschemesoftheheave-platestructure方案直徑D/m邊鋒外伸S/m高H/m原模型0模型1模型2模型3模型4模型5模型6模型71.3數(shù)值模型以垂蕩運(yùn)動為例，給定浮體運(yùn)動形式為a=Asin(ωt)，其中A為浮體運(yùn)動幅值，ω為波浪頻率。根據(jù)CFD計(jì)算所得浮體受力曲線，可整理得到浮體受力的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為F=F0sin(ωt+φ)，其中受力幅值F0和相位差φ可根據(jù)曲線得到。將運(yùn)動和受力方程進(jìn)行整理得到如下方程形式：基于自由運(yùn)動方程：第3期陳嘉豪，等：漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究21YX壓力出口內(nèi)部界面無滑移壁面ZYX壓力出口內(nèi)部界面無滑移壁面Z式中：μ——附加質(zhì)量；λ——阻尼系數(shù)；F——浮體受力。F0sin(Φ)-Aω附加質(zhì)量表示為： F0 Aω2由上述過程計(jì)算得到風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的粘性阻尼矩）系數(shù)。1.3.2計(jì)算域與網(wǎng)格設(shè)置模型的計(jì)算域劃分及邊界條件選取如圖4所示。使用ICEMCFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分。圖4模型計(jì)算域及邊界條件Fig.4Computationalregionandboundaryconditions由于FLUENT計(jì)算時采用動方法，為避免結(jié)構(gòu)物周圍網(wǎng)格變形過大，將流場的網(wǎng)格劃分為如下三個部分：1）結(jié)構(gòu)物周圍采用剛性網(wǎng)格，計(jì)算時隨結(jié)構(gòu)物一起運(yùn)動，該部分選取尺寸較小的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。2）剛性網(wǎng)格外為變形區(qū)域，采用尺寸略大的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分。3）為節(jié)約計(jì)算時間，其余區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化大尺寸四面體網(wǎng)格，該區(qū)域距離物體較遠(yuǎn)，對結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算影響較小，且粗網(wǎng)格還可以起到人工阻尼的作用，減少側(cè)壁面反射波影響。為保證計(jì)算精度，每個部分流場網(wǎng)格都在自由液面處對網(wǎng)格進(jìn)行了加密。選取垂蕩板圓盤直徑為23.8m，垂蕩板高0.5m，邊鋒延伸0.2m的模型為例，圖5為該模型計(jì)算域中縱截面的網(wǎng)格示意，圖中模型網(wǎng)格總數(shù)為422萬個。為了說明計(jì)算結(jié)果的正確性和可靠性，此處進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，即驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果對于網(wǎng)格密度變化的敏感性。通過改變網(wǎng)格的疏密，觀察計(jì)算結(jié)果的變化，若其變化幅度在允許的范圍之內(nèi)，就可以說明網(wǎng)格誤差在可接受精度范圍內(nèi)。因此，對模型重新劃分網(wǎng)格，使得網(wǎng)格數(shù)量分別為212萬個和821萬個。ZZXY圖5計(jì)算域截面網(wǎng)格（422萬網(wǎng)格）Fig.5Sectionmeshofthecomputationalregion各個網(wǎng)格模型的計(jì)算附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)結(jié)果如表3所示，計(jì)算結(jié)果對于網(wǎng)格密度變化的敏感性很小，網(wǎng)格無關(guān)性得以驗(yàn)證。表3不同網(wǎng)格數(shù)的計(jì)算結(jié)果Tab.3Resultswithdifferentmeshquantities網(wǎng)格數(shù)/萬個附加質(zhì)量阻尼系數(shù)無因次阻尼系數(shù)變化率/%-2.540-1.291.3.3計(jì)算域與網(wǎng)格設(shè)置將發(fā)電工況下波浪的譜峰周期作為浮體強(qiáng)迫運(yùn)動的周期，選取風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)垂蕩和橫搖運(yùn)動響應(yīng)的有義值，由此規(guī)定簡諧強(qiáng)迫運(yùn)動形式如表4所示。表4測試工況參數(shù)Tab.4Parametersintestcases運(yùn)動形式發(fā)電工況周期/s幅值/m垂蕩橫搖將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入FLUENT商業(yè)軟件，把上述強(qiáng)迫運(yùn)動編寫為用戶自定義函數(shù)（UDF文件）來定義物體的簡諧運(yùn)動，定義簡諧運(yùn)動周期求解格式。22南方能源建設(shè)第8卷粘性阻尼系數(shù)/(N·s·m粘性阻尼系數(shù)/(N·s·m?1)98765432102不同垂蕩板尺寸參數(shù)對阻尼的影響2.1邊鋒延伸寬度為了研究垂蕩板邊鋒延伸寬度變化對浮式風(fēng)機(jī)水動力阻尼系數(shù)的影響，將原模型及模型方案1、2、3的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比分析。各模型無因次阻尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表5，邊鋒外伸量S變化時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)垂蕩阻尼的變化趨勢見圖6，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)橫搖阻尼的變化趨勢見圖7。表5邊鋒延伸寬度對阻尼的影響Tab.5Dampingimpactfromthewingextension模型及運(yùn)動無因次垂蕩阻尼系數(shù)增長率/%無因次橫搖阻尼系數(shù)增長率/%原模型00粘性阻尼系數(shù)/(N·s·m?1)9876543210原模型模型1模型2模型3圖6邊鋒延伸寬度對基礎(chǔ)垂蕩阻尼的影響Fig.6Dampingvariationofheavemotionfromthewingextensionofheave-plate粘性阻尼力矩系數(shù)/(N·s·m·rad?1)20原模型模型1模型2模型3圖7邊鋒延伸寬度對基礎(chǔ)橫搖阻尼的影響Fig.7Dampingvariationofrollmotionfromthewingextensionofheave-plate由圖表數(shù)據(jù)可知，隨著邊鋒外伸S的增大，基礎(chǔ)垂蕩粘性阻尼系數(shù)隨之增大。由此可得，在一定范圍內(nèi)增大S，能增加垂蕩板垂蕩阻尼性能。當(dāng)垂蕩板邊鋒延伸S為0.6m時，垂蕩粘性阻尼系數(shù)增大近10%，阻尼性能增加效果較為明顯。從圖表數(shù)據(jù)來看，隨著S的增大，基礎(chǔ)橫搖粘性阻尼系數(shù)總體也呈增大趨勢。由此可得，在一定范圍內(nèi)增大S，能增加垂蕩板橫搖阻尼性能。但是相比于垂蕩運(yùn)動方向的阻尼變化值，橫搖運(yùn)動方向的增阻效果并不十分明顯。2.2垂蕩板高度為了研究垂蕩板高度變化對浮式風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)平臺運(yùn)動阻尼系數(shù)的影響，把原模型及模型方案1、4、5的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。各模型無因次阻尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表6，垂蕩板高度H變化時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)垂蕩阻尼的變化趨勢見圖8，基礎(chǔ)橫搖阻尼的變化趨勢表6垂蕩板高度變化時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)阻尼的影響Tab.6Dampingimpactfromheightofheave-plate模型及運(yùn)動無因次垂蕩阻尼系數(shù)增長率/%無因次橫搖阻尼系數(shù)增長率/%00×106原模型模型1模型4模型5圖8垂蕩板高度變化對基礎(chǔ)垂蕩阻尼的影響Fig.8Dampingvariationofheavemotionfromtheheightofheave-plate由圖表數(shù)據(jù)可知，隨著垂蕩板高度H的增大，基礎(chǔ)垂蕩方向的水動力粘性阻尼系數(shù)隨之增大。由此可得，在一定范圍內(nèi)增大垂蕩板高度，能增加垂蕩板的垂蕩阻尼性能。當(dāng)垂蕩板高度為0.7m時，阻尼增大7%。從圖表數(shù)據(jù)來看，隨著垂蕩板高度H的增大，粘性阻尼系數(shù)總體呈增大趨勢。由此可得，在一定第3期陳嘉豪，等：漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究23粘性阻尼力矩系數(shù)/(N·s·m·rad?1)2.520.50×109原模型模型1模型4模型5圖9垂蕩板高變化時基礎(chǔ)橫搖阻尼的影響Fig.9Dampingvariationofrollmotionfromtheheightofheave-plate范圍內(nèi)增大垂蕩板高度，能增加垂蕩板橫搖阻尼性能，但增長效果小于5%。2.3垂蕩板圓盤直徑為了研究垂蕩板圓盤直徑變化對垂蕩阻尼系數(shù)的影響，把原模型及模型方案1、6、7的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。各模型無因次阻尼系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表7，圓盤直徑D變化時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)垂蕩阻尼的變化趨勢見圖10。基礎(chǔ)橫搖阻尼的變化趨勢見圖11。表7圓盤直徑變化時風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)垂蕩阻尼的變化Tab.7Dampingimpactfromthediameterofheave-plate模型及運(yùn)動無因次垂蕩阻尼系數(shù)增長率/%無因次橫搖阻尼系數(shù)增長率/%00粘性阻尼系數(shù)/(N·s·m?1)42原模型模型1模型6模型7圖10垂蕩板圓盤直徑對基礎(chǔ)垂蕩阻尼的影響Fig.10Dampingvariationofheavemotionfromthediameterofheave-plate從圖表數(shù)據(jù)來看，隨著圓盤直徑D的增大，浮式基礎(chǔ)垂蕩運(yùn)動的粘性阻尼系數(shù)隨之增大。由此可粘性阻尼力矩系數(shù)/(N·s·m·rad32.520.50×109原模型模型1模型6模型7圖11垂蕩板圓盤直徑對基礎(chǔ)橫搖阻尼的變化Fig.11Dampingvariationofrollmotionfromthediameterofheave-plate得，在一定范圍內(nèi)增大圓盤直徑，能增加垂蕩板的垂蕩阻尼性能，并且隨著圓盤直徑增加呈非線性增長趨勢，增阻效果明顯，圓盤直徑增加2m（相比從圖表數(shù)據(jù)來看，隨著圓盤直徑D的增大，浮式基礎(chǔ)橫搖運(yùn)動的粘性阻尼系數(shù)增大。由此可得，在測試范圍內(nèi)增大圓盤直徑，能增加垂蕩板的橫搖阻尼性能。圓盤直徑增加2m（相比于原模型增加8.77%）時，基礎(chǔ)橫搖方向的運(yùn)動阻尼增加值可達(dá)17.32%，增阻效果較為顯著。對比前述的結(jié)果，相對其他參數(shù)而言，增加垂蕩板直徑D，垂蕩板阻尼增長效果最為顯著，其次是增加邊鋒延伸長度，而增加垂蕩板高度所帶來的基礎(chǔ)運(yùn)動阻尼增加值十分有限。2.4總體影響對比根據(jù)之前模型計(jì)算結(jié)果分析，調(diào)整垂蕩板的尺寸，進(jìn)一步提高垂蕩板的阻尼性能。調(diào)整優(yōu)化后垂蕩板的尺寸為：直徑24.8m、高0.7m、邊鋒延伸0.6m的垂蕩板。按照調(diào)整后垂蕩板的尺寸，計(jì)算浮式基礎(chǔ)的垂蕩及橫搖阻尼性能。將計(jì)算結(jié)果與原模型進(jìn)行對比，可以看出優(yōu)化后阻尼性能得到了理想的提升，具體阻尼系數(shù)增長情況如表8所示。優(yōu)化后，該浮式風(fēng)機(jī)平臺的阻尼提升25%以上。2.5泄渦分析相關(guān)研究表明［12］阻尼產(chǎn)生的根本原因是結(jié)構(gòu)運(yùn)動泄渦時對動能的耗散。對于風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來說，其在運(yùn)動過程中產(chǎn)生、脫落的漩渦越多，能量耗散越大，阻尼性能也就越好。如圖12中，紅色部分表示較大的正漩渦，黃24南方能源建設(shè)第8卷表8優(yōu)化后模型阻尼性能對比Tab.8Dampingcomparisonbetweentheoriginalmodelandoptimizedmodel模型及運(yùn)動無因次阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)增長率/%有量綱無量綱—— 色部分表示較小的正漩渦，深藍(lán)色部分表示較大的負(fù)漩渦，淺藍(lán)色部分表示較小的負(fù)漩渦。隨著外伸邊鋒的增大，運(yùn)動產(chǎn)生漩渦的范圍會擴(kuò)大，產(chǎn)生的漩渦量會增多，從而耗散更多能量，使得模型結(jié)構(gòu)阻尼增加。YYvoricity/s?1Contour11.787e+001.575e+001.364e+001.152e+009.407e?017.292e?015.178e?013.063e?019.479e?02?1.167e?01?3.282e?01?5.397e?01?7.511e?01?9.626e?01?1.174e+00?1.386e+00?1.597e+00?1.809e+00?2.020e+00020.00040.0010.00030.000圖12浮式風(fēng)機(jī)平臺垂向運(yùn)動渦量圖Fig.12Vorticitycontoursofthefoundationofthefloatingoffshorewindturbineinheave3新型阻尼結(jié)構(gòu)性能根據(jù)上述阻尼結(jié)構(gòu)尺寸敏感性分析和泄渦原理分析，為了得到阻尼性能更好的垂蕩板形式，設(shè)計(jì)了一種“梅花形”的垂蕩板。該垂蕩板模型從優(yōu)化后的模型變形而來，邊鋒寬度、板高及圓盤直徑各參數(shù)都保持不變，在減小垂蕩板圓盤面積的同時增加了垂蕩板圓盤的周長。網(wǎng)格劃分方法與之前模型相同，均采用“體網(wǎng)格+面網(wǎng)格”的方式。模型網(wǎng)格總數(shù)為459萬個。垂蕩板整體模型見圖13所示，模型強(qiáng)迫運(yùn)動時歷曲線見圖14所示，阻尼性能計(jì)算結(jié)果對比見表9。在其他參數(shù)不變的情況下，“梅花形”垂蕩板垂蕩運(yùn)動阻尼性能最佳，其垂蕩阻尼系數(shù)較原始模圖13“梅花形”整體模型示意圖Fig.13Schematicdiagramofthewholemodelofcinquofoil×10×107543210?1?2?3?4?50510152025時間/s圖14模型強(qiáng)迫垂蕩運(yùn)動時歷曲線Fig.14Schematicdiagramofthewholemodelofcinquefoil表9“梅花形”垂蕩板阻尼性能計(jì)算結(jié)果Tab.9Calculationresultsofdampingperformanceof"quincunx-shaped"heave-plate模型及運(yùn)動無因次阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)增長率/%原模型垂蕩 優(yōu)化后模型垂蕩本文選取10MW半潛型浮式風(fēng)機(jī)，利用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究外立柱垂蕩板結(jié)構(gòu)幾何尺寸變化對基礎(chǔ)運(yùn)動粘性阻尼的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，本文優(yōu)化參數(shù)后的垂蕩板能夠明顯地增加基礎(chǔ)的附加質(zhì)量與附加轉(zhuǎn)動慣量，增加結(jié)構(gòu)的阻尼，耗散運(yùn)動能量，改善結(jié)構(gòu)運(yùn)動性能；帶邊鋒的垂蕩板的阻尼性能與圓盤直徑、邊鋒延伸寬度、垂蕩板高等參數(shù)均有關(guān)。一般來說，在一定范圍內(nèi)增大圓盤直徑、邊鋒延伸寬度、垂蕩板高，均會增加系統(tǒng)的附加質(zhì)量和垂蕩、橫搖粘性阻尼系數(shù)。第3期陳嘉豪，等：漂浮式海上風(fēng)機(jī)平臺阻尼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究25從總體情況來看，對阻尼性能影響最大的因素是垂蕩板圓盤直徑，尤其是對于橫搖運(yùn)動來說阻尼效果更明顯。其次，增加邊鋒延伸寬度對增加垂蕩阻尼性能也比較有利，而加大垂蕩板的高度也可增大阻尼，但是增加緩慢。因此，增大阻尼三種措施按照有效性排序?yàn)椋褐睆郊哟?、邊鋒延伸、高度加大。本文優(yōu)化方案中，直徑24.8m、高0.7m、邊鋒延伸0.6m的阻尼結(jié)構(gòu)，該阻尼結(jié)構(gòu)無量綱阻尼系數(shù)為：垂蕩阻尼系數(shù)為20.14%，較原結(jié)構(gòu)增大無量綱阻尼系數(shù)14.9%；搖擺阻尼系數(shù)12.30%，較原結(jié)構(gòu)增大無量綱阻尼系數(shù)19.1%。本文設(shè)計(jì)的“梅花型”垂蕩板結(jié)構(gòu)相比原阻尼結(jié)構(gòu)有效提升36.98%的垂蕩阻尼。但是，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，垂蕩板的設(shè)計(jì)尺寸和形式需要進(jìn)一步結(jié)合考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、施工運(yùn)輸可行性以及經(jīng)濟(jì)性。參考文獻(xiàn)：［1］GWEC.GLOBALWINDREPORT2018［R］.Brussels：GWEC，2019.［2］JEONSH，CHOYU，SEOMW，etal.Dynamicresponseof floatingsubstructureofspar-typeoffshorewindturbinewithcatenarymooringcables［J］.OceanEngineering，2013，72（72356-364.［3］陳嘉豪，裴愛國，馬兆榮，等.海上漂浮式風(fēng)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究CHENJH，PEIAG，MAZR，etal.Areviewofthekeytechnologiesforfloatingoffshorewindturbines［J］.Southern［4］SKAAREB，HANSONTD，YTTERVIKR，etal.Dynamic responseandcontrolofthehywinddemofloatingwindturbine［C］//EWEA.ProceedingsofEuropeWindEnergyConfer?ence，Brussels，Belgium，2011.Belgium：EWEA，2011：43.［5］AUBAULTA，CERMELLIC，LAHIJANIANA，etal.Windfloatcontraption：fromconceptiontoreproduction［C］//Ocean，OffshoreandArcticEngineeringDivision：theAmeri?can.Proceedingsofthe31stInternationalConferenceonOff?shoreMechanicsandArcticEngineering，RiodeJaneiro，Bra?zil，2012.RiodeJaneiro：OMAE，2012：847-853.［6］BEYERF，CHOISNETT，KRETSCHMERM，etal.Cou?pledMBS-CFDsimulationoftheIDEOLfloatingoffshorewindturbinefoundationcomparedtowavetankmodeltestdata［C］//ISOPE.ProceedingsofISOPE.25thInternationalOceanandPolarEngineeringConference，Kona，BigIsland，HI，USA，Jun.21-26，2015.Kona：ISOPE，2015：367-374.［7］EuropeanTechnology&InnovationPlatformonWindEnergy.Strategicresearchandinnovation