风机安装船海上作业运动及其流体动力分析.pdf

哈尔滨工程大学
硕士学位论文
风机安装船海上作业运动及其流体动力分析
姓名:张凤伟
申请学位级别:硕士
专业:船舶与海洋结构物设计制造
指导教师:丁勇
2012-03
摘要自风能成为广受重视的新型能源而引起海上风电场迅猛发展以来,风电机组设备的安装一直是风电场建设的重要议题。尽管国外对风机安装船的研究取得了一些成果,然而,随着对风能探索海域的拓展和海上环境的复杂多变,单一形式的风机安装船已无法满足实际工程需要,严峻的形势促使我们对新船型作进一步的探索和研究。本文拟对一艘集自航运输船、坐底式海洋平台和起重船于一身的新型风机安装船进行研究,以期对我国的风电事业有所贡献。本文对风机安装船水面浮吊作业的运动在频域和时域下进行了分析。基于软件建立频域计算模型,系统详细地分析了安装船的水动力性能,而各水动力参数建立的水动力数据库为时域耦合分析提供了数据:在该软件下建立了时域计算模型,设计了模型的系泊系统,然后在各海况下分析了系泊系统和吊物系统对船体运动的耦合影响,并验证了系泊系统设计的合理性。基于软件对安装船的坐底进行了方案研究,最终确定了适用于结构物坐底的最终方案并建立了模型;分别对上述模型和基于防波堤理论计算了不同工况下安装船所受到的横向波浪载荷,通过对两种计算结果的比较验证了软件计算坐底结构物波浪载荷的可靠性,并在此基础上计算了不同工况下安装船所受到的的垂向风浪流载荷,作为抗吸附性能研究的数据依据。基于有限元方法剥装沧按奈搅辛搜芯俊J紫然谟邢拊7治鋈砑⒆啄P停⒃诟萌砑驴疾觳煌问约尢嵘Φ挠皍向规律,进一步确定了不同参数对坐底吸附力的影响规律;然后对坐底浸深进行了研究,给出了适用于安装船坐底浸深计算的方案。最后以风机安装船作业海域之一为例对安装船的抗吸附性能进行了研究。根据以上研究结论,对算例的吸附力进行了计算,结合安装船的压载水舱布置和经计算所得垂向风浪流载荷进行了抗吸附性能的计算;给出了辅助离地措施和离底后上浮稳性的研究思本文的研究成果对该类型风机安装船的运动预报有很好的参考价值,对坐底结构物风浪流载荷的预报有重要的工程和现实意义。关键词:风机安装船;;耦合分析;吸附力风机安装船海上作业运动及其流体动力分析路。
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第滦论本文研究的目的和意义近年来,随着环境问题的日渐突出和能源供应的日益紧张,风能作为一种清洁、可再生的环保新能源越来越受到重视⋯。随着海上风电场的迅猛发展,海上风机的运输和安装作为风电场建设的重要步骤,其各种装备的发展有望成为风力发电产业链上前景较为乐观的市场。风机安装船自欧洲率先起步以来,在风电领域取得了一些显著成果,陆续出现了不同类型的安装船,而集自航运输船、坐底式海洋平台和起重船于一身的风机安装船尚属首例,为熟悉该类型船在风浪中的运动及其所受风浪流载荷情况,本文拟对该船型于海上作业过程中的关键技术问题进行研究,以期对该安装船作业时作业方及时采取应对风浪流载荷的措施提供指导。风机安装船除经常性地运载风电设备与桩基结构航渡于开阔深水海域及近岸浅水海域外,更经常性地在近岸浅滩海域执行水面浮吊作业和坐底吊装作业。安装船无论处于航渡状态还是处于水面浮吊状态都将受到风浪流的作用,而常态性地产生波频摇荡运动,以及水平面内的低频漂移运动,尤其受近岸浅滩海域波浪的非线性浅水效应的影响,水平面内的漂移运动将比深水海域的漂移运动显著增大。为保证安装船作业过程的安全与平稳,对安装船运动响应进行准确:预报以及时作出应对风浪流的措施和策略是非常关键的,尤其对处在吊装作业状态的安装船,因受到系泊系统和吊物系统的耦合影响,无疑又加大了运动预报的难度,因此,通过研究系泊系统和吊物系统对船体的非线性耦合影响以准确预报安装船的运动响应可为非线性耦合系统的分析提供一些思路,具有重要的理论意义。安装船处于坐底吊装作业状态时,受到海底的吸附力和风浪流载荷的作用。既需要依靠吸附力和压载水的作用使安装船坐实海底以保证吊装作业的安全与平稳,又需要在作业完成后依靠风浪流载荷和经吹除压载水所产生的抗吸附力使安装船离底并平稳上浮至水面。因此,对于坐底安装船吸附力和风浪流载荷的研究是非常关键的。对于坐底吸附力,国内外还没有成熟技术准确预报坐底结构物的吸附力,由于国内船舶类水池和水工类水池无法同时满足造风浪流和敷设泥上以模拟海底环境的要求,所以试验方法模拟吸附力的方法可直接排除,对于数值方法,国内外对于吸附力的研究主要采用有限元方法研究规则体模型,对于实体模型未曾有人研究,因此用有限元方法对实体坐底安装船进行吸附力的研究具有重要的工程意义;对于坐底结构物的风浪流载荷,国内没有成第滦髀
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