不同海况对潮流能水轮机性能的影响分析

2022-04-26饶翔路宽伊扬

哈尔滨工程大学学报 2022年4期

关键词：海况水轮机潮流

饶翔，路宽，伊扬

(1.国家海洋技术中心，天津 300112； 2.哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001)

本文基于Ansys CFD的二次开发，分析了不同海况下，风浪流共同作用对潮流能装置及其载体平台耦合运动的影响。采用动网格与动边界技术，对复杂海况下的运动平台及其搭载潮流能水轮机进行水动力学性能研究。

1 水轮机及载体平台研究

1.1 水轮机及载体平台运动方程

载体平台在海上受到风、浪和流的作用时发生非定常运动，而水轮机直接受到了浪和流的影响，间接性受到风荷载的影响。两者耦合模型如图1(a)所示，为了方便分析建立如图1(b)、(c)所示的坐标系，潮流、波浪和风沿着y轴正向流动，y轴为水轮机的旋转轴。载体平台在海上运动的时域运动方程为：

图1 潮流能水轮机与载体平台

Fwave(t)+Fwind(t)+Fc(t)+Fm(t)

(1)

式中：M、m为广义质量矩阵、附加质量矩阵；K(t-τ)为系统的延迟函数矩阵；C为载体平台静水恢复力系数矩阵；Fwave(t)为波浪力；Fwind为风力；Fc为潮流力；Fm(t)为锚链张力。

在流体力学数值计算中，流场受到物理守恒定律的支配，基本守恒律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。其中质量守恒方程为：

(2)

式中：ρ为海水密度；ui为i方向的来流速度；Sm为分散的二级相中加入到连续相的质量。

在海水中可认为密度均匀连续且为不可压缩流体，故不存在分散的二级相，计算时方程(2)简化为：

(3)

潮流能水轮机运动时，其水轮机微元体中，受到海水流动的动量对时间的变化率等于外荷载作用在微元体上之和，其动量方程为：

(4)

式中：p为压强；τij为切应变；gi和fi分别为i方向的重力体积力和外部波浪荷载作用的体积力。

1.2 研究路线

本文的研究流程如图2所示，通过载体平台在不同海况下的运动情况作为水轮机的运动，在AQWA模块中建立载体平台的模型，输入每一级海况对应的波浪、风和流荷载参数，计算其对载体平台作用产生的运动响应。当载体平台受到风、浪和流作用时产生非定常运动，通过钢接支架传递给水轮机。CFD中无波参数设置功能，水轮机的运动需要通过外接程序的方式给定。在AQWA中通过计算结果得出的不同海况下载体平台的运动响应导出，通过CFD的软件二次开发，编写用户自定义函数将载体平台运动传递至水轮机上，计算水轮机在不同海况下的运动。

图2 水轮机运动研究流程

2 浮式潮流能水轮机数值模型

2.1 载体平台模型

水轮机搭载的载体平台，是国家海洋技术中心威海海上试验场的海上可移动综合试验平台，平台为双浮体船型，船长为30 m，宽为21 m，高为4.5 m，吃水深度为2.0 m，质量为380 t，船体质心为(0 m，0.2 m，-0.6 m)，惯性半径为(4.52 m，7.14 m，7.40 m)，计算时的水域深度为70 m。在数值计算时，为了简化分析计算同时保留主体船特征，建模时对载体平台进行简化处理，保留载体平台双浮体结构、船体工作舱室以及船体中间月池部分。

载体平台的锚系布置结构如图3所示，锚系结构采用四点式布置，各锚点的坐标分别为：A(84 m，-120 m，-70 m)、B(84 m，120 m，-70 m)、C(-84 m，120 m，-70 m)、D(-84 m，-120 m，-70 m)。锚链选用φ32AM2规格，其刚度为1.66×108N/m，锚链原长度150 m。

图3 锚系布置

在AQWA模块中，载体平台的网格大小的选择受到波浪频率参数的影响，需在最高与最低计算波浪频率之间进行划分。最低波浪频率即接近船体本身固有频率，为数值计算的下限值，而最高波浪频率的设置则考虑到计算速度与精度。根据国家海洋局与国际通用的蒲式风级表的资料统计，将中国海域的海浪划分为10级，国际通用的蒲式风级表将海上的风划分为13级。常见的3级的海况较为少见且对水轮机的水动力响应较小，而6级以上的海况为灾害性海况，潮流能水轮机在此状态下有可能停机工作，本文为了简化计算并突出关键问题，选取了常见的3～6级海况为数值计算的海况条件。

本文考虑表1所示的不同波浪荷载的波浪周期的最小值，设置最大网格尺寸为0.8 m。载体平台船体全局采用非结构化网格划分，在切变处、棱角处与月池处的部分用结构化网格进行处理，总网格数为1.2万个。

表1 蒲式风级与中国国家海洋局浪级表

2.2 潮流能水轮机模型

水平轴潮流能水轮机采用NACA-63424翼型[12]，水轮机半径R为5 m，轮毂半径为0.1R，叶片数量为3片，如图4(a)所示。建模采用UG软件，导入此翼型的坐标点数据，将各坐标点按照顺序进行连线。

在ICEM中，分为水轮机的划分与流场区域的划分。水轮机划分中，由于潮流能水轮机叶片表面与轮毂处形状较为复杂，故采用结构化网格进行处理，其余部分采用非结构化网格形式。为了提高计算精度与速度，需对水轮机的流场进行划分，以保证其数值计算时网格质量不受运动影响而下降。为了模拟水轮机在旋转的同时还受到外荷载的影响发生了非定常运动，设置水轮机的旋转域、球域与总域，如图4(b)～(d)所示。其中水轮机在旋转域内，水轮机的非定常运动发生在球域内，而球域包含在总域内。旋转域是一个扁平的圆柱体，其高为0.4R，圆柱体底半径为1.5R；球域是一个球半径为4R的球体；总域是一个底为10R的正方形，高为36R的长方体，水轮机旋转的扁平圆柱体距离进口距离为10R，距离出口距离为26R。相邻的域之间采用瞬态转子交界面连接，保证网格运动的连续性，水轮机网格数为6万个，总网格数为198万如图4(e)所示。

图4 潮流能水轮机数值网格

2.3 耦合模型的数值模拟条件

水轮机数值计算中，水轮机每旋转3°为1个时间步长，完成一周旋转为120步，总旋转周数为30转，进口来流均匀速度为1.5 m/s，设计叶尖速比为5，转速为13 rad/min。为了避免水轮机旋转时四周壁面产生反射波，设定为敞口水域边界条件，其相对大气压为0，如图5所示。总域的网格平行于边界运动，球域与旋转域的运动通过外接程序的方式，将载体平台的运动规律传递。

图5 计算边界条件

载体平台数值计算中，设定AQWA计算类型为时域求解，不规则波的波浪谱设置为JONSWAP谱，波高与波浪周期、风速的组合设计取值参考如表1所示，具体数值如表2所示。其中风荷载类型为定常风速荷载，均匀潮流速度为1.5 m/s，谱峰因子Γ为3.30。

表2 设计海况组合

3 水轮机运动结果分析

为了研究水轮机在海上的工作性能与运动，水轮机的能量利用率Cp、轴向荷载系数CF与力矩系数Cθx、Cθy、Cθz分别为：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

式中：Mx为水轮机绕x轴旋转的力矩；My为水轮机绕y轴旋转的力矩；Mz为水轮机绕z轴旋转的力矩；Fy为水轮机的轴向受力；ve为潮流速度；R为水轮机半径；ω为水轮机旋转角速度；ρ=1 025 kg/m3。

3.1 运动分析

图6为水轮机耦合载体平台在不同海况下的横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和垂荡运动随时间发生波动变化，可看出海况等级越高，曲线的波动幅度越大。在图6的摇动运动中，纵摇和艏摇的幅度相当，横摇的幅度最大，故水轮机沿y轴方向的转动响应最大，波浪的周期对摇动周期的影响很小。在图6的平动运动中，横荡和垂荡的运动幅值相当，垂荡的运动幅值相比横荡与垂荡偏大；在横荡与纵荡中，一个周期内的平动运动的位移随着海况等级的降低而增大。以上分析可知，横摇和纵荡分别在转动和平动的运动中幅度最大，其分别是沿y轴方向的转动和平动响应，为水轮机运动的主要方向。

图6 六自由度历时曲线

3.2 能量利用率分析

图7(a)所示为潮流能水轮机在表2所示的不同海况荷载组合下，能量利用率的历时曲线图。从图7中可看出，每一级海况对应的能量利用率曲线存在着明显的差异：当海况等级越高的情况时，能量利用率的平均值也升高，波动幅度也越大。其中在6级海况时的其能量利用率平均值约为30.9%，曲线波动偏差达到了0.76%；而在3级海况中的能量利用率平均值为28.5%左右，曲线波动偏差为0.25%。

图7 能量利用率曲线

为了进一步分析水轮机在运动时的能量利用率的变化规律，将复杂的随机波简化为规则波，载体平台在规则波、定常风与流的作用下做受迫简谐运动。为了方便对比，计算一组条件为仅在均匀来流下发生绕定轴旋转的参照组。水平轴潮流能水轮机产生了简谐运动响应，其分别为：

k=Aksin(ωkt)

(10)

式中：k为运动响应，k取值为x、y、z3个方向；Ak为运动响应；ωk为角速度。

图7(b)为水轮机在不同海况对应规则波、定常风与定常流的作用下的能量利用率的历时曲线图。能量利用率曲线图周期性明显，每一组规则波下的能量利用率曲线波动比不规则波时的波动幅值减小。规则波下6级海况时的能量利用率平均值为30.7%，曲线波动偏差为0.61%；3级海况时的能量利用率曲线的平均值为28.9%，曲线波动偏差为0.19%，接近参照组的平均值为28.8%，曲线波动偏差0.09%。随着外荷载的影响增大，水轮机运动时偏离初始位置的位移也增加，从而产生了更大的回复力矩，使水轮机的能量利用率平均值的大小与波动幅度随着海况的增大而增大。

3.3 水动力荷载分析

从图8的计算结果为水轮机的力矩系数与轴向荷载系数系数随时间变化的历时曲线，可看出在1个周期系数曲线中变化趋势基本一致，仅旋转对照组的系数曲线较平稳，其余不同海况对应的曲线波动幅度都随着海况等级的增加而增大。图8(a)～(c)中，沿y轴的力矩系数值整体大于沿x轴与z轴的值，但每一级对应曲线波动幅值更小。图8(d)中，水轮机轴向推力系数的每一级海况的变化趋势与图8(b)的力矩系数曲线的变化趋势总体一致，整体波动幅度小相对稳定。说明在水轮机运动中，沿y轴的轴向运动受力相对稳定，影响水轮机的能量利用率波动变化的因素，是水轮机旋转平面晃动幅度的大小引起的。