海上浮式光伏结构及其水动力问题研究展望

淡水水体的浮式光伏发电技术弥补了传统陆基光伏的部分缺陷,在近十年的时间里得到快速发展,与此同时,将浮式光伏技术应用于海洋环境成为了各国学者面临的重要命题。海上环境不同于陆地,在同等光照条件下,海面开阔,日照时间长、辐射量高等优势使得海上光伏项目的光照利用效率更高,发电量可以得到显著提升,但是如何保证海上光伏在极端自然环境下的生存是该项目未来能否实施的最大挑战。首先概述了浮式光伏系统的发展历程,分析了各类浮式结构的形式、特点及其对海洋环境的适用性;然后针对不同结构形式和不同锚泊形式的海上浮式光伏结构,重点围绕其在遭受波浪和风荷载情况下可能遇到的水动力问题和结构强度问题,从设计可行性的角度分析了国内外学者针对相关结构的一些研究成果;最后提出海上浮式光伏系统未来可能的发展方向。

漂浮状态自升式改装平台波浪运动响应

为满足跨海桥梁的施工要求,将半潜驳船改装为施工平台,为了解其在漂浮状态下的波浪动力特性,基于势流理论建立波浪与自升式改装平台的三维全尺寸数学模型。通过时域内的水动力计算,对自升式改装平台处于漂浮状态时,桩腿下放不同深度以及不同来浪方向的平台运动响应进行分析。计算发现:当平台桩腿下放不同深度时,改装平台整体处于稳定状态,其整体运动响应与平台自身尺寸相比都很小;在不同来浪方向波浪作用下,改装平台在水平方向与垂荡方向的运动响应幅度和运动轨迹不同,平台在桩腿下放过程中需要尽可能保证迎浪面积小。所得结论对深水自升式平台在漂浮状态的整体稳定性研究具有一定的指导意义。

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究II:不规则波

为研究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,通过几何比尺为1?50的物理模型试验开展了不规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射有效波高、相对板长、平台净空高度和平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明,平台在不规则波作用下的砰击压强及砰击压力极值具有随机性,经过傅里叶变换,其作用周期与波浪周期一致,并存在明显的高阶成分;5个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小,即长波引起的砰击力较大,短波造成的砰击力较小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,给出不规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力有效值的计算表达式,可快速得到平台受到的波浪砰击力,并分析了规则波和不规则波引起砰击力的关系。

波浪对海上施工平台砰击作用的试验研究Ⅰ:规则波浪

为探究施工平台下表面在波浪场中可能受到的砰击荷载,文章通过几何比尺为150的物理模型开展了规则波对不同倾角和不同高度海上平台的砰击作用三维水池试验研究,讨论了入射波高、相对板长、平台相对高度与平台倾角与波浪砰击压强和砰击压力的关系。研究结果表明:规则波作用下波浪对平台的砰击压强及砰击压力具有随机性和周期性,高阶波浪砰击力明显;五个倾角平台受到的砰击压力随着相对板长的增大而减小;考虑波浪要素及结构倾角和平台净空高度等因素的影响,拟合出规则波作用下固定式海上施工平台下表面受到波浪砰击力的计算公式,可为规则波作用下的砰击力快速计算提供有益帮助。

基于SPH方法的开孔沉箱比尺效应研究

由于在前壁上设置了尺寸较小的孔,开孔沉箱受流体黏性力作用显著,依照弗劳德数相似准则设计模型存在比尺效应。为揭示比尺效应,建立了模拟波浪与开孔沉箱相互作用的光滑粒子流体动力学(SPH)模型。其中流体运动由连续性方程和Navier-Stokes方程控制,固壁边界由改进的动力边界粒子施加。模型收敛性通过分析不同粒子分辨率下的波浪反射系数得到,模型精度通过比较计算与理论波浪反射系数证明。使用经过验证的SPH模型,计算并比较了不同几何比尺和开孔率下开孔沉箱附近的涡量场、箱体外侧的波面时程曲线和波浪反射系数。结果表明,随着模型几何比尺的减小,开孔沉箱受到偏大的流体黏性力,致使更多波能在湍流运动中耗散,进而减小了波浪反射系数并降低了箱体外侧的波面高度。

波浪作用下悬浮隧道动力响应的有限元分析模型

基于有限元理论,建立了求解悬浮隧道在波浪作用下的时域耦合水弹性动力分析模型。波浪引起的水动力荷载由Morison方程计算,波浪采用二阶Stokes波与椭圆余弦波理论模拟。本文对双排隧道的动力响应进行分析,研究波高、波浪与隧道所成角度对隧道动力响应的影响。

基于OpenFOAM的船舶联合作业问题研究

采用势流模型以及粘性流模型,对船舶与海洋工程中船舶并联作业时形成的窄缝在波浪作用下发生的共振现象进行了研究。对于并联双箱模型,数值结果表明,当波浪以一定的频率入射时,共振现象将会发生,并联作业的船舶间水体波动将达到较大的幅值。势流模型可以较为准确地预测共振频率,但会过高地估计共振波幅。粘性流模型可以准确地模拟共振现象,但基于OpenFOAM的粘性流模型往往需要较高的计算资源以及较长的计算时间。在势流模型中,当在自由水面引入人工阻尼时,势流模型也可以得到与粘性流相近的结果,且具有很高的效率。通过势流模型与粘性流模型的对比,有助于加深学生对于流体力学的认知,并促使学生对在实际工程问题中采用何种模型进行思考。

顺应式海洋平台慢漂运动物理模型试验研究

为研究顺应式海洋平台慢漂运动的影响因素,以截断圆柱和漂浮方箱为例进行了不规则波作用下的慢漂运动模型试验。测量了不同系泊刚度条件下的漂浮方箱以及相同系泊刚度条件下的截断圆柱和漂浮方箱在静水中自由衰减运动和在不规则波中的运动响应,并将运动响应分解成一阶波频运动响应和二阶低频运动响应,分析了系泊刚度和浮体形状对浮体运动的影响。通过物理模型试验发现了系泊刚度及浮体形状对顺应式系泊浮体一阶运动标准差和二阶低频运动平均漂移值和标准差的关系。结果表明由于顺应式浮体的固有周期远离波浪谱峰周期时,系泊刚度以及浮体形状对慢漂运动的一阶运动响应影响不大;二阶低频运动相对偏离平衡位置的平均值和标准差均随系泊刚度增大而减小,浮体形状同样对慢漂运动的二阶低频纵荡运动响应影响较大。试验结果为实际海洋工程的外形选择和系泊刚度选择提供数据支持。

The influence of up-wave barge motion on the water resonance at a narrow gap between two rectangular barges underwaves in the sea

A three-dimensional time-domain potential flow model is developed and applied to simulate the wave resonance in a gap between two side-by-side rectangular barges. A fourth-order predict-correct method is implemented to update free surface boundary conditions. The response of an up-wave barge is predicted by solving the motion equation with the Newmark-β method. Following the validation of the developed numerical model for wave radiation and diffraction around two side-by-side barges, the influence of up-wave barge motion on the gap surfaceresonance is investigated in two different locations of the up-wave barge relative to the back-wave barge at various frequencies. The results reveal that the freely floating up-wave barge significantly influences the resonance frequency and the resonance wave amplitude. Simultaneously, the up-wave barge located in the middle of the back-wave barge leads to a reduction in the resonance wave amplitude and motion response when compared with other configurations.