Ngành công nghiệp nổi của chúng tôi đang phát triển lớn hơn
Ngành công nghiệp tua-bin gió ngoài khơi đang phát triển các tua-bin gió lớn hơn và chúng ta cần những nền tảng lớn hơn để chứa chúng trong đại dương.
Tua-bin gió nổi ngoài khơi sẽ đóng một vai trò quan trọng trong tương lai của ngành công nghiệp gió. Do đó, các thiết bị bán chìm, TLP, xà ngang và các khái niệm nổi khác sẽ được nâng cấp và trở nên lớn hơn. Việc tính toán tải trọng trên các cấu trúc này và các phản ứng của nền tảng sau đây là cần thiết để hiểu hành vi của các phao nổi này và phát triển chúng hơn nữa.
Năng lượng chính, WindFloat
Sóng tương tác với cấu trúc nổi như thế nào
Các kỹ sư ngoài khơi đặc biệt quan tâm đến sóng biển và sự tương tác của chúng với các nền tảng nổi, vì chúng có tác động lớn đến các cấu trúc này.
Tải trọng thủy động tác dụng lên kết cấu có thể chia thành hai loại chính:
1. Tải trọng nhớt
2. Tải không nhớt
Tải trọng nhớt chủ yếu là lực cản và tải trọng không nhớt bao gồm các điều kiện quán tính.
Đối với các công trình ngoài khơi có đáy cố định, chúng ta có thể sử dụng phương trình Morison để tính toán lực cản và quán tính bằng các phép đo thực nghiệm.
Xét một kết cấu nổi lớn, chúng ta cần lưu ý rằng lực tác dụng lên kết cấu bị chi phối bởi lực quán tính. Do đó, cần phải sàng lọc lại tải trọng không nhớt của phương trình Morison để nắm bắt tất cả các hiện tượng vật lý xảy ra.
Một nỗ lực được thực hiện ở đây để hiểu các lực không nhớt tác động lên một vật thể nổi.
Tải trọng sóng không nhớt trên các cấu trúc có thể tích lớn như nửa nổi nửa chìm có thể được chia thành hai loại.
1. Chuyển động và tải trọng do sóng tuyến tính cấp một
2. Tải trọng và chuyển động do sóng phi tuyến tính cấp hai
Tải sóng tuyến tính bậc nhất
Chúng ta có thể chồng các sóng đều đặn để đạt được trạng thái biển không đều. Khi chúng ta làm điều đó một cách tuyến tính, chúng ta có thể làm điều tương tự một cách tuyến tính đối với các phản hồi thu được. Cách tiếp cận này cho thấy rằng các chuyển động tuyến tính và tải trọng trên cấu trúc đang dao động điều hòa với cùng tần số với tải trọng sóng trên hệ thống.
Xét một vật trong trường sóng được bao quanh bởi các phần tử nước đang chuyển động; do đó, vật thể này nằm trong một trường áp suất. Bằng cách cộng áp suất tác động lên cơ thể, chúng ta có thể tính toán tải trọng tuyến tính tác động lên cơ thể. Áp lực này lên cơ thể có thể là do sóng tới và trường sóng không bị xáo trộn (lực Froude-Krylov), bị thay đổi bởi sự hiện diện của vật thể (Nhiễu xạ) hoặc do chính chuyển động của vật thể tạo ra (Bức xạ).
Lực lượng Froude-Krylov
Lực này xuất phát từ sự phân bố áp suất trên bề mặt chìm của kết cấu do sóng tiến đến. Để tính toán lực này, chúng ta giả sử cơ thể bị hạn chế dao động trong nước (cố định) và nước không bị xáo trộn. Tải trọng thủy động này là một phần của tải trọng kích thích sóng. Đây là một lực quán tính tỷ lệ thuận với gia tốc của nước.
lực nhiễu xạ
Coi cấu trúc cố định và kích thước của cấu trúc lớn so với bước sóng tới. Cấu trúc thay đổi hình thức và làm biến dạng trường sóng tới xung quanh chính nó; nó có tác dụng tán xạ gọi là lực nhiễu xạ hay lực tán xạ. Thuật ngữ này đại diện cho sự xáo trộn của các sóng tiếp cận bởi cơ thể bị hạn chế.
Áp lực sóng thay đổi xung quanh lỗ trên đê chắn sóng
lực bức xạ
Khi xem xét một lực bức xạ, cơ thể không còn được coi là cố định trong nước; cấu trúc có chuyển động và dao động ở một tần số nhất định. Trái ngược với sóng nhiễu xạ, ở đây chúng ta không có sóng tới và chuyển động của cấu trúc tạo ra sóng; những sóng này tạo ra một lực bức xạ lên cấu trúc, tức là áp suất nước trên bề mặt cơ thể.
Thành phần lực này bao gồm các điều khoản Khối lượng và Giảm chấn được thêm vào.
Khối lượng được thêm vào là quán tính của thể tích nước bao quanh cơ thể chuyển động theo chuyển động của cấu trúc. Thành phần này cùng pha với gia tốc cơ thể.
Giảm chấn bức xạ là lực đến từ sóng được tạo ra từ chuyển động của cơ thể và cùng pha với vận tốc của cơ thể.
Froude-Krylov, các lực nhiễu xạ và bức xạ có thể được tính toán bằng cách sử dụng lý thuyết dòng chảy tiềm năng, dẫn đến các kết quả ở dạng RAO tải trọng hoặc chuyển vị (Toán tử biên độ đáp ứng) và các ma trận khối lượng và giảm chấn được thêm vào.
Bạn có thể thấy hiệu ứng nhiễu xạ và bức xạ trong video này ở phút thứ 2 và 3 tương ứng.
Tải trọng sóng phi tuyến tính bậc hai
Tải trọng bậc nhất có thể xác định đầy đủ các tải trọng trên kết cấu; tuy nhiên, đối với các trạng thái biển khắc nghiệt và các chuyển động chuyển tiếp của các hệ thống neo đậu, bao gồm cả tải trọng sóng bậc hai trong tính toán, có thể rất cần thiết. ( Magnus Faltinsen lạ lùng )
Ở đây chúng ta coi sóng đang tiến đến một vật dao động. Giả sử sự chồng chất của sóng đều đặn để tạo ra một vùng biển không đều. Các sóng thông thường này di chuyển ở các tần số khác nhau và sự kết hợp của các sóng này với các tần số khác nhau dẫn đến tải trọng sóng bậc hai.
Các tải trọng này tỷ lệ với bình phương biên độ sóng. Chúng không nằm trong dải tần số sóng và có tần số cao hơn hoặc thấp hơn, tức là kích thích bởi các tải này không nằm trong dải tần số sóng (Tải sóng tuyến tính). Thông thường, chúng có tác động thấp hơn đến kết cấu so với tải trọng sóng bậc một. Tuy nhiên, chúng kích thích các tần số khác nhau có thể dẫn đến cộng hưởng trong hệ thống và tải trọng mỏi lớn hơn.
Chúng ta có thể tính toán tải bậc hai bằng Hàm truyền bậc hai (QTF). Hàm truyền này cho biết mối liên hệ giữa lực sóng và sự kết hợp của các tần số sóng (3).
Lực trôi sóng trung bình
Nếu các sóng thông thường có cùng tần số, nó dẫn đến sự đóng góp không đổi (tần số bằng 0) vào tải trọng sóng được gọi là lực trôi sóng trung bình. (Xem thêm Orinca.com ). Chúng là thành phần tải trọng không đổi chịu trách nhiệm về độ dịch chuyển trung bình của phao. Các thành phần khác nhau góp phần vào lực trôi sóng trung bình; tuy nhiên, chiều cao sóng chiếm ưu thế. (Để biết thêm thông tin, xem Journée và Massie, WW 2001)
Tải tần số chênh lệch (Tần số thấp)
Những tải trọng này còn được gọi là lực trôi sóng biến đổi chậm. Chúng có tần số bằng hiệu số tần số giữa hai sóng.
Vì các cấu trúc nổi lớn như nửa chìm nửa nổi có tần số thấp trong các chuyển động ngang, tức là tăng vọt và lắc lư, lực trôi dạt tần số thấp có thể gây ra cộng hưởng cấu trúc, dẫn đến phản ứng chuyển động ngang lớn trong các cấu trúc neo đậu này. Nếu chúng ta thực hiện phân tích QTF đầy đủ, thì các số hạng theo đường chéo của ma trận QTF là độ trôi trung bình và các số hạng ngoài đường chéo là lực trôi chậm (DNVGL-RP-0286, 2019, Phân tích kết hợp các tuabin gió nổi.).
Tổng tần số (Tần suất cao)
Các sóng này có tần số bằng tổng của hai tần số sóng. Các lực này rất cần thiết trong TLP do tần số nhấp nhô, cuộn và cao độ. Chúng có thể kích thích sự cộng hưởng trong các chuyển động đã đề cập, tức là rung lắc hoặc lò xo, dẫn đến độ mỏi cao hơn ở các dây neo căng.
Đây chỉ là một số tải cần xem xét
Ngoài ra, chúng ta cần xem xét các tải trọng thủy động khác, chẳng hạn như tải trọng hiện tại, để hiểu đầy đủ về tải trọng trên phao và phản ứng tích hợp tương ứng của chúng.
Khi tôi đang học thạc sĩ tại Đại học Exeter, tôi muốn suy nghĩ bằng trực giác về những gánh nặng mà chúng tôi đã xem xét, điều này đã dẫn đến việc viết bài báo này. Nó chỉ là điểm khởi đầu để tính toán tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu. Để làm cho những gì tôi nói rõ ràng hơn, có một câu trích dẫn rất hay mà tôi đã từng nghe được từ bên kia phòng mà nó luôn ám ảnh tôi.
“Công việc của chúng tôi với tư cách là kỹ sư ngoài khơi là nắm bắt tải trọng nào có liên quan trong từng tình huống cụ thể, tùy thuộc vào cấu trúc, khu vực quan tâm và điều kiện môi trường.”
Vì vậy, bây giờ chúng ta hãy ngồi lại và xem hình bên dưới và xem xét những tải trọng nào có thể được tính đến trong các tình huống khác nhau.
