FLOATING FOUNDATION SUBSTRUCTURE MODELING FOR WIND-WAVE COUPLED HYBRID TESTS OF FLOAING WIND TURBINES
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摘要:
浮式风机的漂浮基础(漂浮平台与锚泊系统)的数值建模主要参考海洋钻井平台，计算理论更关注结构的安全性，对成本要求较低；模拟结果对于成本要求高的浮式风机而言精度较低。面对浮式风机混合试验，将漂浮基础作为试验子结构开展物理试验更为合理。并且浮式风机漂浮基础的模拟还需要考虑上部风机气动效应的影响，考虑风机结构气动与水动效应的耦合。针对浮式风机的复杂风浪耦合工况，建立能够考虑上部结构影响的漂浮基础的高精度数值模型用于支撑混合试验的开展十分必要。能够考虑二者耦合的数值模拟软件主要以OpenFast为主，但对不同海况下结构响应模拟的水动力参数依赖于其它分析软件。AQWA水动模型分析精度较高，其主要问题是无法考虑浮式风机气动效应耦合影响。该文基于AQWA构建自由边界漂浮基础的数值模型，通过子结构边界构建考虑气动效应的影响，建立漂浮基础具有全边界的高精度数值分析模型。
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关键词:
- 漂浮式风机 /
- 混合试验 /
- 气动-水动耦合 /
- 漂浮基础 /
- 全边界约束子结构模型
Abstract:The numerical modeling of the floating foundation (floating platform and mooring system) of floating wind turbines mainly refers to the offshore drilling platform. Its calculation theory focuses more on the safety of the structure and has lower requirements on cost. Its simulation results are less accurate for floating wind turbines with high cost requirements. The simulation of floating wind turbines needs to consider the influence of the wind effect and the coupling of aerodynamic and hydrodynamic. It is very necessary to establish a high-precision numerical model of the floating foundation that can consider the influence of the superstructure for hybrid tests of wind turbines under wind-wave coupling conditions. The numerical simulation software that can consider the coupling of aero- and hydro-dynamic effects is mainly based on OpenFast. Its hydrodynamic parameters for simulating the structural motions depend on analysis by other software. AQWA, a software that can consider many details, provides more accuracy results, it cannot take the wind effect into account. The paper builds a fine model of a wind turbine and then considers the aerodynamic effects by adding the full boundary conditions at the interaction face between the superstructure and the floating foundation.
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近年来，由于环境污染、温室效应、全球气候变暖，能源问题日趋严峻[1]。风能作为一种具有巨大潜力的可持续性能源，其研究和使用已经引起了世界各地的广泛重视，同时，海洋风能的发展也正在飞速进行。因为近海空间有限，风力发电已由浅海过渡到深水区，而增大的水深需要风机自身性能，因此，无地形约束的浮式风机是深海风力发电的第一选择[2]。为充分利用优质风能，海上风电机组装机规模及桨距增大，风机整体结构趋于大型化，其结构将面临更为复杂、极端的环境荷载[3]，亟需开展研究。
由于在水池试验中风机模型试验存在着气动缩尺系数(雷诺数)与水动缩尺系数(傅汝德数)的天然矛盾。为解决这一难题，已有研究人员通过圆盘替代、改变叶片外形及增加风速等手段，以达到静力学相似的目的[4 − 7]，但这种方式严重降低了计算精度，且不能有效地实现风机整体耦合计算。所以已经有研究人员采用了数值仿真的方式来解决这一问题，但由于风机上、浮动平台所承受的载荷是不一样的，所以相关的理论计算方法也不尽相同。陈嘉豪等[8]以OC4-DeepCwind半潜浮式平台为研究对象，采用FAST对半潜浮式平台进行完全耦合分析，使用二阶阻尼模型弥补了粘滞阻尼的不足。YANG等[9]利用F2A软件，将OpenFast与 AQWA相结合，利用 AQWA软件计算水动力学系数输出，从而对漂浮式风机进行耦合模拟。王立忠等[10]基于Kane动力学方法推导不同基础构型风机刚-柔耦合多体动力学模型，归纳基础构型和外部载荷的影响，提出SR模型，并实现风机系统动力学方程的统一描述。这表明：在复杂动态环境下，采用能够反映两者之间耦合作用的有限元仿真软件，其计算精度不高，且计算较为复杂。
为此，混合试验方式受到了关注，即通过将上部风机和下部浮式基础拆分成数值子结构和实验子结构，并通过数值仿真和物理模型实时耦合的方式来解决这一问题。王涛等[11]、梅竹等[12]、刘浩学等[13]和YU等[14]验证了混合试验在风机结构的可行性。但是海上浮式风机的工作状态十分复杂多变，所以必须事先对其进行数值仿真，才能给出合适的试验条件以及试验子结构的边界条件。因此使用全边界子结构模型数值模拟成为了新思路，通过将风机上部结构与下部浮式基础的拆分，实现气-固耦合模拟与液-固耦合模拟的分析；再通过子结构边界实现气动与水动效应之间的耦合。
本文以典型半潜式漂浮平台为模拟对象，通过拆分浮式风机，将风荷载转变为子结构边界条件与下部漂浮基础结构进行模拟响应分析，为海上风力机混合模型试验技术的实施和进一步发展提供了参考。
1 数值模型
1.1 风机原型结构
本文以OC4-DeepCwind半潜式漂浮式风机为研究对象[15]，OC4-DeepCwind模型是漂浮式风力发电研究中的经典案例，其原型结构由上部结构和浮式基础组成。上部结构包括塔架、机舱和叶片，这部分主要用于捕获风能并将其转化为机械能和电能。而浮式基础则包括漂浮平台和锚泊系统，起到支撑和稳定上部结构的作用，如图1所示。浮式风机原型主要参数见表1。
表 1 浮式风机原型主要参数Table 1. Design parameters of floating wind turbine参数类型 设计项目 设计参数 上部风机结构参数 机型 三叶片迎风式 容量 5 MW 塔筒高度 87.6 m 风轮直径 126 m 切入/额定/切出风速 3 m/s、11.4 m/s、25 m/s 风塔质量 347 460 kg 漂浮平台结构参数 平台吃水 20 m 平台高度 32 m 侧底部浮筒直径 24 m 侧底部浮筒高度 6 m 侧上部浮筒直径 12 m 侧上部浮筒高度 26 m 中浮筒直径 6.5 m 中浮筒高度 32 m 斜撑直径 1.6 m 排水量 1.421×107 kg 系泊系统结构参数 系泊线数量 3 系泊线夹角 120° 等效系泊线拉伸刚度 753.6 MN 系泊线直径 0.0766 m 空气中重量 113.35 kg/m 水中重量 108.63 kg/m 未拉伸系泊线长度 835.5 m 附加质量系数 1.0 漂浮基础作为浮式风机的核心基础设施，OC4-DeepCwind半潜式漂浮平台由3个外围圆柱形浮筒、中心立柱和桁架结构组成。这种设计使得平台结构具有良好的力学稳定性和抗风浪能力。平台的布局以中心立柱为对称轴，3个浮筒以120°旋转对称分布。这种对称性能够有效分散波浪和风载荷对平台的作用，从而提升其在复杂海洋环境中的稳定性。平台的吃水深度为20 m，总高度为32 m，排水量达到1.421×107 kg。
OC4-DeepCwind平台的系泊系统由3根系泊线组成，3根系泊线之间形成120°的夹角，每根系泊线在未拉伸状态下的长度为835.5 m。
1.2 漂浮基础模型
1.2.1 子结构模型耦合分析方法
OpenFAST风机仿真软件为开源的模块化工程模拟软件由美国国家可再生能源实验室(NREL)开发，最初应用于固定风机的时域模拟，后来逐步扩展到了海洋浮式风机的数值模拟中，即利用风机的动力响应来分析其运行状况。本文通过修改风荷载参数，完成对风机运行的仿真设置，从而获得仿真期间的塔筒塔底运动数据。
AQWA是1970年代由美国Atkins公司研制的一套适用于船舶和浮式结构物水动力计算和系泊动力分析的软件。该软件基于势流理论可以求解浮式结构物静水刚度、附加质量、辐射阻尼和波浪力，采用刚体运动假设在时域中计算平台运动响应。本文将风机运行得到的塔底运动数据作为全子结构边界条件传输给漂浮基础模型，对下部漂浮平台基础模型进行时域计算来分析漂浮式风机的运动性能和系泊张力，从而得到相对应的漂浮式风机数据。子结构模型拆分及主要流程如图2所示。
1.2.2 模型建立
本文使用ANSNY AQWA软件，以OC4半潜浮式平台为研究对象，考虑附加质量效应、辐射绕射理论、黏性效应。采用三浮子浮体及中柱构造实体单元进行计算，中间的横撑和斜撑通过建立莫里森单元进行计算，采用莫里森单元求解，子结构边界通过结构力的方式作用在漂浮基础进行模拟。漂浮基础水动力模型如图3所示。
2 平台水动力响应分析
2.1 频域分析工况设计
频域分析是一种传统的结构特性研究手段，其结果能够迅速地反映出结构在频率域的反应，从而为下一步的分析提供数据支撑。本文浪向取−180°~180°，以30°为间隔。频率取0.1 rad/s~1.2 rad/s，时间间隔设置为0.1 rad/s，通过与文献资料对比分析[16]，以此证明模型还原的准确性。
2.2 幅值算子分析
本模型幅值算子对比分析图如图4所示。图4(a)表示纵荡方向0°、90°的幅值算子对比，图4(b)表示横摇方向0°、90°的幅值算子对比，其中虚线为文献数据，实线为AQWA数据，通过对比验证模型的准确性。
由图4(a)可以看出在纵荡运动响应中，AQWA与文献对比峰值保持基本一致，最大误差仅为0.26；图4(b)可以看出在横摇运动响应中，峰值也保持一致，最大误差为0.11。因此，可以看出漂浮基础的运动响应与文献对比吻合良好，说明自由边界模型在AQWA中有相当高的准确性。
2.3 耦合时域分析
在全边界条件模型时，环境条件按照风机作业工况为准，本文海况拟选用中国东海作为研究海域，根据相关文献分别定义各工况1~工况4的风浪环境条件如表2所示，并通过利用AQWA对经典的浮式风机平台OC4-DeepCwind进行时域计算分析，得到六自由度运动响应进行后续分析。
表 2 作业工况环境条件Table 2. Working environment conditions工况 平均风速/(m/s) 有义波高/m 不规则波(JONSWAP谱) 谱峰周期/s 谱峰因子 浪向角/(º) 1 0.0 2.7 5 3.3 0 2 5.0 2.7 5 3.3 0 3 7.5 2.7 5 3.3 0 4 10.0 2.7 5 3.3 0 2.3.1 风浪联合作用对漂浮平台的影响
在一般情况下，漂浮式风机所处的环境既有风也有浪，为了研究风浪联合作用对漂浮式风机动力响应特性的影响，本节选取工况1和工况4，得出风载荷对平台动力响应的影响规律，计算结果如图5所示。
对比漂浮基础纵荡、横荡响应可知：在有风工况下，风载荷产生的推力通过全边界条件转换会对平台纵荡产生明显影响，与无风工况相比，增加幅度达到3倍以上。而对于横荡运动的影响较小，与纵荡运动相比可忽略不计。说明了全边界子结构模型可以较好的反应出风速对于漂浮基础的运动响应影响。
2.3.2 风速对平台运动响应的影响
六自由度运动响应可以直接反应漂浮平台在海中的运动响应，其数据可以体现出风速对于漂浮风机的影响。本节选取工况2、工况3和工况4在风速变化的作业工况下，进行全边界条件转化，对漂浮平台六自由度运动响应进行分析，部分计算结果如图6所示。
由计算结果可知，漂浮基础与悬链式系泊系统的组合很好的控制了整体的运动响应。在作业工况下，图6(a)可以看出随着风速的增加，纵荡运动变化明显在风速10 m/s时达到最大值16.6 m。图6(d)可以看出随着风速的增加，纵摇运动变化明显在风速为10 m/s的工况下达到最大值3.97°，而横荡、垂荡、横摇和艏摇运动变化不明显，仅有小幅度的变化。
3 结论
本文首先建立了OC4-DeepCwind 平台的自由边界模型，并与其他文献进行对比分析，较小的模拟误差证明了自由边界模型的正确性。在此基础上，建立了能够考虑上部风机气动荷载的有全边界约束的浮式平台数值模型，并分析了不同风速工况下漂浮平台在纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇、艏摇六个自由度上的运动响应，具体结论如下：
(1)纵荡响应中最大误差为0.26；横摇响应中最大误差为0.11，验证了AQWA建立自由边界模型具有较高精度。
(2)在有无风荷载的工况下，可以明显看出风荷载对于平台会纵荡响应会产生较大的影响，在风速10 m/s的工况下，影响会达到3倍以上，而对于横荡响应的影响可以忽略不计。
(3)在风速变化工况下，随着风速增加，纵荡运动和纵摇运动变化最为明显，分别达到16.6 m和3.97°，而横荡、垂荡、横摇和艏摇运动变化相较于前二者不明显，仅有小幅度的变化。
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表 1 浮式风机原型主要参数
Table 1 Design parameters of floating wind turbine
参数类型 设计项目 设计参数 上部风机结构参数 机型 三叶片迎风式 容量 5 MW 塔筒高度 87.6 m 风轮直径 126 m 切入/额定/切出风速 3 m/s、11.4 m/s、25 m/s 风塔质量 347 460 kg 漂浮平台结构参数 平台吃水 20 m 平台高度 32 m 侧底部浮筒直径 24 m 侧底部浮筒高度 6 m 侧上部浮筒直径 12 m 侧上部浮筒高度 26 m 中浮筒直径 6.5 m 中浮筒高度 32 m 斜撑直径 1.6 m 排水量 1.421×107 kg 系泊系统结构参数 系泊线数量 3 系泊线夹角 120° 等效系泊线拉伸刚度 753.6 MN 系泊线直径 0.0766 m 空气中重量 113.35 kg/m 水中重量 108.63 kg/m 未拉伸系泊线长度 835.5 m 附加质量系数 1.0 
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表 2 作业工况环境条件
Table 2 Working environment conditions
工况 平均风速/(m/s) 有义波高/m 不规则波(JONSWAP谱) 谱峰周期/s 谱峰因子 浪向角/(º) 1 0.0 2.7 5 3.3 0 2 5.0 2.7 5 3.3 0 3 7.5 2.7 5 3.3 0 4 10.0 2.7 5 3.3 0
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