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2095-8676 © 2021 Energy China GEDI. Publishing services by Energy Observer Magazine Co.， Ltd. on behalf of Energy China GEDI. This is an open access article under the CC BY-NC license （
https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/ ）.随着各国能源结构的转型，清洁能源在总能源中的占比逐渐增大，特别是海上风能的开发利用［1］。风能具有清洁、近乎无尽及分布广泛等特性，是最具发展前景的清洁能源之一［2］。目前海上风电正逐渐向深远海方向发展，传统基础形式如单桩基础、高桩承台基础及复合筒形基础等适用性下降，成本增加。而导管架基础自身重量轻，结构刚度大，对深海的适用性较高［3-5］，传统导管架基础底部为多桩结构，其施工过程难度大，具有一定的局限性。近年来，采用吸力式多筒基础的导管架结构应运而生，大大降低了在沉放安装施工方面的成本，然而由于底部吸力筒直径及结构整体根开较大，其干拖会受到船型的限制，同时多筒结构具有一定的自浮稳性，可以实现湿拖，因此对其湿拖浮运特性进行研究是十分有必要的［6-8］。本文针对某海域三筒导管架工程，如图1所示，分别采用实浮体及气浮体两种方案的三筒导管架基础在自浮拖航过程中的运动特性进行了研究。
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通过数值模拟软件Moses建立三筒导管架基础模型，分别考虑实浮体及气浮体两种方案，对处在静水及拖航过程中的三筒导管架基础进行稳性性分析。在模型中将拖缆绳一端与基础相接，另一端固定，通过在海域中施加一个与拖航方向相反的流速来模拟基础的拖航过程［9］。
分别建立气浮及实浮模型：实浮结构底端不开孔，在筒内设置压载水；气浮结构在模型底部不封闭，水可以自由通过下部开孔。模型如图2所示，尺寸如表1所示。
图 2 模型示意图
Figure 2. Numerical models
图 2 模型示意图
Figure 2. Numerical models
表 1 模型尺寸
Table 1.
Model size 筒高/m 筒径/m 结构总高度/m 结构重心高度/m 结构质量/t 12.66 12.6 60.14 筒底以上24 m 1 535.7 -
三筒导管架基础在波浪中运动可看做具有6个自由度的刚体运动，可通过运动分量
(（1）) 式中：
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根据水面起伏的初始情况与波动场的初始速度分布情况，初始条件满足下式：
(（2）) (（3）) 式中：
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JONSWAP谱是1968年英国、美国、荷兰、德国联合发起的“北海波浪计划”（Joint North Sea Wave Project），开展为期1年的海浪观察统计工作，这是迄今为止最系统的一次海浪观测工作，提出适用于风程被限定的JONSWAP谱［11］，表达式如下：
(（4）) 式中：
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分别对相同条件下的实浮结构及气浮结构进行静稳性分析。利用Moses分析三筒导管架基础的回复力臂、RAO（response amplitude operator）进行对比分析。
静稳曲线上升段部分为相对平稳的位置，下降段部分为不稳定平衡部分，而当力臂减小到0以下时，整个结构会加速倾覆。因此通过倾角的值可以判断结构是否安全及稳定。如图3所示，对实浮体，在倾角达到17°左右处，力矩变为负值，也就意味着大于17°时，结构将不提供恢复力矩，整个结构完全失去静水稳定性。而对气浮结构，在倾角达到21.4°左右处，力矩变为负值，气浮结构失去静水稳定性。
图 3 回复力臂
Figure 3. Recovery arm
从图4中可以看出，对实浮结构，在周期为7 s时的垂荡响应达到峰值，垂荡幅值达到1.1 m；气浮结构同样在在周期为7 s时的垂荡响应最大，垂荡幅值达到1.3 m。根据图5，三筒导管架基础运输模型的纵摇响应曲线有明显的峰值，实浮结构及气浮结构分别在12.2 s、12.5 s达到纵摇幅值，实浮体幅值为8.0°，气浮体为7.9°。
图 4 垂荡幅值
Figure 4. Heave amplitude
图 5 纵摇幅值
Figure 5. Pitch amplitude
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将相同条件下三筒导管架基础实浮结构和气浮结构在的浮运性态进行对比，波高为1 m，波浪周期为10 s，顺浪拖航，拖缆力为40 t。
由图6及图7可以看出，模型重心点处的拖航速度随波浪周期而振荡，实浮体重心点拖航速度峰值为1.85 m/s，而气浮体重心点拖航速度峰值为1.93 m/s。法兰面的纵向速度，实浮体略小于气浮体，实浮体为2.84 m/s，气浮体为2.98 m/s。
图 6 重心点拖航速度
Figure 6. Towing speed of center of gravity
图 7 法兰面纵向速度
Figure 7. Longitudinal velocity of flange face
由图8及图9可以发现，实浮体与气浮体法兰面垂荡运动相近，其最大垂荡速度分别为0.71 m/s及0.64 m/s，垂荡加速度峰值均为0.53 m/s2。
图 8 法兰面垂荡速度
Figure 8. Heave velocity of flange face
图 9 法兰面垂荡加速度
Figure 9. Heave acceleration of flange face
由图10及图11可以看出，在浮运过程中，气浮体的法兰面纵摇角与纵摇加速度明显大于实浮体，气浮体法兰面纵摇角为3.82°，纵摇角加速度为0.82 m/s2，实浮体法兰面纵摇角为2.84°，纵摇角加速度为0.63 m/s2。
图 10 法兰面纵摇角
Figure 10. Pitch angle of flange face
图 11 法兰面纵摇加速度
Figure 11. Pitch acceleration of flange
综上，不同吃水深度下实浮体和气浮体运动响应幅值对比如表2所示。
表 2 不同吃水深度下实浮体和气浮体运动响应幅值对比
Table 2.
Comparison of motion response amplitudes of solid and air-floating bodies at different drafts 参数 实浮体 气浮体 重心点拖航速度/（m·s-1） 1.85 1.93 法兰面纵向速度/（m·s-1） 2.84 2.98 法兰面垂荡速度/（m·s-1） 0.71 0.64 法兰面垂荡加速度/（m·s-2） 0.53 0.53 法兰面纵摇角/（º） 2.84 3.82 法兰面纵摇加速度/（º·s-1） 0.63 0.82 -
本文基于海上风电三筒导管架基础，采用数值模型软件MOSES进行了浮运分析，考虑了相同条件下实浮结构及气浮结构的静稳性及浮运特性，结果表明：
1）与实浮体相比，气浮体的回复力臂曲线消失角更大，静稳性较好。
2）在浮运特性方面，实浮体的重心点拖航速度、法兰面纵向速度和纵摇角幅值均小于气浮体，垂荡运动两种结构差别较小，纵摇运动相差较大，整体来看，实浮体的浮运稳性高于气浮体。
Research on Stability Control of Offshore Wind Power Multi Jacket Foundation During Wet Towing
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摘要:
目的 为探究合理的三筒导管架基础湿拖方式以及研究其自浮湿拖浮运特性， 方法 结合某海上风电三筒导管架项目，使用数值模拟软件MOSES对比分析了实浮体及气浮体两种方案的静稳性以及在拖航过程中的运动响应，得到在相同环境荷载影响下，海上风电三筒基础气浮与实浮结构的静稳性及浮运特性的差异。 结果 研究表明：气浮结构的静稳性要优于实浮结构，但在浮运过程中，实浮结构的运动响应幅度要低于气浮结构。 结论 所提方法是正确并有效的，可为实际应用提供指导。 Abstract:Introduction In order to explore the reasonable wet towing method of three tube jacket foundation and study its self-floating wet-towing floating characteristics， Method the numerical simulation software Moses was used to analyze the static stability and dynamic response of soild-floating body and air-floating body in towing for a certain offshore wind turbine three-bucket jacket foundation in this paper. The differences of static stability and towing characteristics between soild-floating body and air-floating body of three bucket foundation for offshore wind turbine under the influence of the same environmental load were clarified. Result The results show that the static stability of air-floating structure is better than that of solid-floating structure， but the motion response amplitude of solid-floating body is lower than that of air-floating structure. Conclusion We demonstrate the feasibility of the method and it provides some guidance for further application. -
表 2 不同吃水深度下实浮体和气浮体运动响应幅值对比
Tab. 2.
Comparison of motion response amplitudes of solid and air-floating bodies at different drafts 参数 实浮体 气浮体 重心点拖航速度/（m·s-1） 1.85 1.93 法兰面纵向速度/（m·s-1） 2.84 2.98 法兰面垂荡速度/（m·s-1） 0.71 0.64 法兰面垂荡加速度/（m·s-2） 0.53 0.53 法兰面纵摇角/（º） 2.84 3.82 法兰面纵摇加速度/（º·s-1） 0.63 0.82 
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图(13) / 表 (2)
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