漂浮式立轴潮流水轮机波浪载荷分析

波浪对漂浮式潮流能水轮机的水动力性能具有重要的影响,论文采用切片理论建立和三维水轮机无辐射运动时立轴潮流水轮机水动力载荷近似计算公式,计算分析了浪流同向条件下,海能1号2×150 k W漂浮式潮流电站两叶片固定偏角立轴水轮机在波浪中的水动力载荷。计算结果表明,波浪中潮流水轮机水动力具有双频特性;水轮机工作工况下,每增加1 m波高,水轮机极限载荷增加27%,在相同波高条件下,主轴极限载荷随波长的增加而增大。     

浮潜式载体对潮流能水轮机性能的影响研究

浮潜式载体是一种创新性的潮流能水轮机载体形式,在设计时,需在保证其上浮下沉及拖航稳定性的同时,尽量减小载体结构形式对其所搭载水轮机的影响。采用计算流体力学方法对两种浮潜式载体结构形式下水轮机运行状态及流场流速分布进行研究,计算结果表明:浮潜式载体中有无坡度对于水轮机的功率系数与轴向力系数影响很大,功率系数在提高的同时,轴向力系数也相应的增加,因此在保证水轮机获能的同时,需要对结构进行稳定性校核;水轮机在额定流速条件下,浮潜式载体的存在对于水轮机上游流速有一定的加强作用,有坡度浮潜式载体因其导流聚流作用将流速提高0.4 m/s左右,更有利于水轮机获能和效率的提高。     

考虑晃荡效应的独立B型LNG液舱结构多目标优化

独立B型LNG液舱内部设置舱壁板材及多种桁材,有效缓解了液舱晃荡效应。针对晃荡载荷下的独立B型LNG液舱结构多目标优化,利用规范中的公式计算晃荡载荷,并引入液舱晃荡系数,以期综合反映液舱内部构件对晃荡特性的影响,在此基础上进一步建立以液舱结构重量和液舱晃荡系数为目标的多目标优化模型,采用多目标遗传算法(NCGA),计算得到改进的独立B型LNG液舱结构设计方案。     

基于漂浮平台的潮流能水轮机阵列优化

为开展基于漂浮式电子信息平台的潮流能提取装置（水轮机）的布置方式优化研究,本文建立潮流与水轮机阵列及漂浮电子信息平台立柱相互作用的三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模型,考虑漂浮平台水轮机组阵列并列和错列两种布置方案,分析立柱扰流对水轮机阵列流速的干扰和水轮机间尾流的相互影响,为后续的潮流能发电装置在海洋装备上的一体化设计提供数据支撑。对比分析结果表明：在设计流速0.8 m/s下,当来流角度达20°时,并列布置的平均功率系数下降35.97%,最小功率系数为0.023;而错列布置平均功率系数下降24.70%,最小功率系数为0.071。同时,结合水轮机组的设计流速下叶轮横截面流场速度分布图和水轮机尾流场水平面流速分布情况,水轮机阵列采用错列布置比并列布置布局方式更优,尾流效应影响更小,潮流能利用效率更高。     

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。     

OC4漂浮式风电平台的水弹性响应及波浪载荷研究

漂浮式风电平台在波浪中的摇晃运动会导致塔架根部产生很大的弯矩,极大地威胁平台结构安全。同时流体的附连水质量效应对平台塔架结构的动响应有着较为显著的影响,因此充分考虑这种流固耦合效应有利于更加准确地评估平台塔架的结构动响应。采用三维频域线性水弹性方法计算塔架在流体作用下的结构共振频率特征以及各阶模态振动的主坐标响应特性,然后通过弹性模态叠加法获得塔架的弯矩载荷。并结合概率学手段,预报了短期极限海况下塔架弯曲载荷响应,为新一代漂浮式风电平台结构安全性评估和方案设计提供了技术支撑。     

基于AQWA的漂浮式海洋装置载体锚泊系统耦合分析

文章基于波浪力时域频域的运动理论,采用变换锚链夹角的方法,通过水动力软件AQWA进行仿真耦合分析的方式,得出针对特定研究对象即双浮筒漂浮式浪流发电装置的最佳锚泊方案,进而探讨类似的漂浮式海洋装置载体锚泊系统方案的设计。     

液舱晃荡载荷计算与强度校核系统研究

随着薄膜型LNG运输船的需求量不断增加,晃荡载荷已成为船舶安全性研究的重要内容之一。本文结合中国船级社规范所推荐的公式,对薄膜型LNG船晃荡水平的载荷进行研究,提出载荷计算方法和流程,在MSC.patran的基础上结合二次开发语言PCL,设计了一套晃荡载荷计算与校核系统。该系统对有限元模型进行前后处理,设计了舱室识别算法来搜索晃荡载荷的作用域,实现薄膜型LNG船晃荡载荷的自动计算与施加,完成屈服强度评估。通过算例测试证明本系统自动计算结果的有效性和准确性,可以为工程设计人员大大节约工作量,大幅度提高工作效率。     

潮流能发电装置支撑结构对水轮机水动力学性能影响研究

水平轴潮流能水轮机在工作过程中,由于支撑结构的存在,会使水轮机周围流场中的潮流流向、流速等参数发生不同程度的改变,进而影响水轮机的性能和发电装置的稳定性。为了研究支撑结构对水轮机水动力学性能的影响规律,以某100 k W单立柱座底式潮流能发电装置的支撑结构为研究对象,采用CFD方法,分别在正、反向来流时采用不同支撑结构的共六种工况下,对潮流能水轮机模型的获能和受力进行数值模拟。通过水槽模型试验,验证数值模拟的可靠性。研究结果表明:支撑结构对水轮机的水动力学性能的影响不容忽视,针对所研究的支撑结构,在正向来流时水轮机的获能系数降幅约30%,轴向力系数降幅约28%;反向来流时的降幅更大,分别约为63%和41%。     

一种浮式潮流能水轮机载荷试验模拟方法

考虑潮流能水轮机模型试验中相似准则难以满足的问题,基于模型水轮机载荷的低频率、相对小量级的特点,提出一种新的方法等效模拟海洋潮流能水轮机载荷特性。该方法基于水流喷射,利用水流反作用力模拟水轮机载荷。搭建了潮流能载体水轮机载荷模拟试验平台,开发了相应的测试技术,进一步论证了载荷模拟结果在时域和频域上与水轮机载荷的对比一致性,期望为相关研究人员提供技术支持。     

浅水调谐液体阻尼器阻尼力的模拟研究

调谐液体阻尼器(TLD)是有效的结构减振装置。TLD在激励作用下内部液体运动属于晃荡问题。本文建立了求解二维不可压缩Navier-Stokes方程的数值模型。数值模型采用对时间积分的分步方法求解压力项,THINC格式捕捉自由面。利用晃荡试验数据验证了模型计算结果的正确性。模拟了不同深度的浅水TLD在不同频率激励作用下内部液体的运动,计算了TLD晃荡产生的阻尼力。分析激励频率对TLD中液体运动的形态和阻尼力的影响。浅水TLD中液体运动形态主要为行波。TLD产生的阻尼力受激励频率影响,在固有频率附近产生共振现象,阻尼力大,减振效果理想。     

波浪作用下安装深度对水平轴潮流能水轮机水动力性能的影响研究

在海洋环境中,波浪等环境因素会使水轮机受到非均匀载荷作用,从而造成水轮机疲劳破坏。为了获得较高的获能效率,同时保证较大的疲劳寿命,需要合理布置水轮机位置。为此,利用计算流体动力学软件Fluent对波流相互作用下水轮机水动力性能进行数值模拟,得到不同安装深度下水轮机所受轴向力、扭矩、轴向力系数、获能系数等相关参数。利用3D打印技术制作水轮机模型,并在水槽中进行模型试验,验证了VOF造波方法对波浪作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能分析的适用性。研究结果表明:波浪和安装深度对水轮机有很大影响,即在波浪作用下,水轮机水动力性能的瞬时值均发生周期性波动,且这种周期性波动均随着安装深度的增加而逐渐减小;虽然水轮机所受轴向力和扭矩的平均值受水轮机安装深度的影响很小,但是随着安装深度的增加两者均呈现出逐渐增大的趋势;此外,水轮机平均轴向力系数和功率系数随着安装深度的增加也呈现出逐渐增大的趋势。对不同安装深度下水轮机水动力性能的研究可以为水轮机载荷分析、叶片加工制造以及安装位置的选取提供一定的参考。     

潮流能水平轴水轮机叶片扭角与弦长分布研究

叶片是潮流能水轮机的关键部件,为获取综合性能良好的潮流能水平轴水轮机,采用解析计算与CFD仿真结合的方法研究叶片扭角与弦长分布。以叶素效率最大原则,推导叶片扭角与弦长的理想分布计算模型,并研究尖速比对叶片扭角与弦长分布的影响;综合考虑水轮机获能效率、可靠性、安全性及叶片加工制造等因素,提出对叶片扭角与弦长修正分布模型;运用Fluent软件对20kW水轮机设计实例性能分析,结果显示修正模型水轮机转矩满足获能要求,轴向力明显减小,有利于工程应用中水轮机的稳定运行。     

偏航工况下海上浮式风力机基础运动响应及锚泊载荷影响分析

海上浮式风力机受风、浪、流等外部载荷影响,运营期间经常处于偏航工况,给风力机基础运动响应和锚泊载荷带来重要影响.基于经典叶素动量理论及势流理论,建立海上浮式风力机水—气动力耦合分析模型,对在非定常风、不规则波浪联合作用下,风力机偏航时基础运动响应及锚泊载荷等进行分析.研究发现,额定风速工况下,风力机偏航对平台纵荡和纵摇运动影响较大,偏航30°时纵荡和纵摇平均值比偏航0°时分别下降20.68％和37.36％,垂荡运动响应受风力机偏航影响较小;锚泊载荷变化趋势与平台运动及锚链布置有关,平台纵荡对锚泊载荷影响较大,偏航30°时锚链#1有效张力平均值比偏航0°时下降12.98％.     

组合隔板抑制液舱晃荡机理的数值方法研究

液舱晃荡是船舶与海洋工程领域的热点问题,有效地抑制液舱晃荡、减小壁面冲击载荷关系着船体结构的安全。使用内嵌隔板是抑制舱内晃荡,减小壁面冲击载荷的有效手段。实际工程中,内嵌隔板的最优设计的前提是对隔板抑制晃荡的机理有深入了解。CIP法具有高精度、低耗散等特点,以THINC格式捕捉自由液面,可以再现液面破碎、翻卷、涡旋以及液滴飞溅等现象。基于此法,建立了数值液舱,对比了单一隔板和组合隔板抑制晃荡的效果。结果表明,内嵌隔板的安装在水平位置上应尽量靠近舱底中线,在垂直位置上应尽量靠近自由液面,且液面附近安装的双垂直隔板抑制晃荡能力最佳。     

容器固有频率对液体晃荡的影响

针对矩形容器内液体晃荡问题,采用了时域高阶边界元方法建立自由水面满足完全非线性边界条件的数学模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过将计算得到的波面结果与实验数据、解析解和已发表结果对比,吻合良好,验证了本方法的准确性。进而采用谱分析方法分析了波面时间历程,得到容器各阶固有频率对液体晃荡的影响。研究发现,基频对液体晃荡的影响最大,且非线性越强,更高阶容器固有频率的影响越大。     

浮筒式波浪能发电装置中轴流式水轮机能量特性研究

当今世界,全球资源严重匮乏,环境日益恶化,波浪能作为一种清洁、可再生海洋能源,有利于贯彻我国可持续发展战略。文中针对南海某海域,根据国家海洋局提供的波浪周期和波高数据,通过计算流体力学(CFD)数值模拟,研究不同时期波浪周期和波高的变化对轴流式水轮机效率的影响。计算结果表明,因波浪参数变化,浮筒式波浪能发电装置水头变化范围为11~17 m,优选设计水头为13 m。通过改变水轮机叶片安装角度,优化水轮机效率,并对水轮机转轮及出水流道流动特性进行研究。最终得出:在优选设计水头为13 m时,水轮机在叶片相对安放角为-4°,最高效率达85.67%,水轮机转轮及出水流道流态平直,水轮机工作性能稳定,满足浮筒式波能发电装置工作要求。文中研究工作,为优化浮筒式波能发电平台及提高平台投资回报率奠定理论基础。     

潮流能水平轴水轮机叶片优化研究

叶片对潮流能水轮机的性能有很大的影响,因此对叶片进行优化研究对于提高潮流能水轮机的效率的重大意义。本文对50kW潮流能水平轴水轮机进行了叶片设计,针对水轮机具体的运行环境,以提高水轮机获能为目标,应用遗传算法对叶片弦长和扭角进行了优化设计。通过对比实际工况下水轮机的获能特性得知,优化的叶片获能系数和获能功率较原叶片有所提高,从而证明应用遗传算法进行叶片优化的可行性,为水轮机叶片优化提供了新的方法。     

定桨垂直轴潮流能水轮机水动力模型试验研究

针对垂直轴潮流能水轮机的水动力性能,文中采用模型试验的方法,以定桨垂直轴潮流能水轮机为研究对象,在循环水槽中进行室内定型测试研究。试验的主要目的是建立垂直轴水轮机试验测试平台,确定垂直轴水轮机水动力性能和载荷试验测试方法。利用滤波等方法对实验结果进行数值处理,研究轮辐和夹具、来流速度和密实度(叶片弦长大小)对水轮机水动力特性和载荷特性的影响。通过本次试验,揭示其水动力与载荷的变化规律。研究结果可为今后潮流电站设计、安装提供依据以及为CFD有效性验证提供试验数据。     

液舱三维晃荡运动二阶共振理论解及特性分析

从无旋运动的理论出发,并利用微扰法,推导了液舱三维晃荡运动二阶共振问题的理论解。考虑纵荡和横荡运动情况,对液舱三维晃荡二阶共振问题进行了分析。当两个晃荡方向的和频(即其外部激发频率的和)或差频(即其外部激发频率的差值)等于液舱固有频率时,二阶共振发生;当某一晃荡方向(横荡或纵荡)外部激发频率与另一晃荡方向(纵荡或横荡方向)液舱某一固有频率的和或差值等于液舱另一固有频率时,二阶共振也会发生。进一步研究了各个二阶共振激发频率下水深变化对晃荡振幅的影响。结果表明,对于两个晃荡方向外部激发频率的和频和单一晃荡方向(纵荡或横荡)某一个激发频率与另一晃荡方向(横荡或纵荡)某一个属于奇模的固有频率的和频所引发的共振情况,水深变化对共振振幅大小的影响比较大;而对于相应差频所引发的共振情况,水深变化对共振振幅大小的影响比较小。