Spar风电平台涡激运动特性研究

本文研究了无侧板单立柱Spar风电平台在不同约化速度(U_r)下的涡激运动特征。基于计算流体动力学进行数值模拟,采用剪应力运输(Shear Stress Transport, SST)k-ω湍流模型模拟漩涡脱落,通过自编动力积分程序和重叠网格实现涡激运动的实时流固耦合,对U_r为2～14时的平台涡激运动响应进行计算,分析涡激运动模式随U_r演变的规律,定性分析物理模型试验不满足雷诺数(Re)相似对涡激运动结果的影响。结果显示：平台分别在U_r=3.5～4.5和U_r=5～10时发生了纵荡和横荡锁频;物理模型试验不满足Re相似,高估了平台所受的黏性力。通过数值计算得出的平台涡激运动特性可为Spar风电平台相关设计分析与试验提供参考。     

分隔板对Spar平台涡激运动响应影响的分析研究

当流体流经单柱式结构物时,由于流体黏性和逆压梯度的存在,会产生非定常的升力、阻力和涡旋脱落,即涡激运动现象,对一座Truss Spar平台的硬舱部分附加长度为1.0D(D为硬舱直径)的刚性来流侧分隔板,基于开源平台OpenFOAM,采用基于剪切应力运输的延迟分离涡模拟(SST-DDES)方法,在不可压缩黏性流场中,对其进行三维数值模拟,以研究在不同流速下,来流侧分隔板对Spar平台涡激运动特性和运动响应的影响。结果表明：在较高流速下,横荡周期减小22.21%,横荡最大幅值减小81.3%。说明在较高流速下,附加分隔板有助于减少Spar平台的运动响应幅值。     

均匀流中深水系泊Truss Spar平台涡激运动试验研究

在工程中广泛应用的Truss Spar平台自诞生之初就为涡激运动问题所困扰,对其运动特性及抑制方法的机理性研究始终都在进行。采用截断系泊系统水池模型试验对设计中的Truss Spar平台在均匀流中的涡激运动响应进行了研究,分析了有无侧板平台的运动轨迹以及不同速度及流向角来流对平台运动的平衡位置的影响。在影响平台涡激运动特性的重要因素中,选取折合速度及流向角分别加以研究,分析了幅值在锁定区间中的变化规律,验证了减涡侧板对涡激运动良好的抑制作用,并对热点问题进行了探讨。为进一步研究Spar平台的涡激运动特性奠定了基础。     

新型多立柱式Spar平台涡激运动特性研究

通过数值模拟和模型试验方法对一新型的Spar平台——多立柱式Spar平台的涡激运动特性进行研究。平台硬舱为四根圆柱方形阵列布置加方形中心井的形式,各柱间会产生复杂的相互干扰,不同于常规的单立柱Spar平台或半潜式平台,因此对其开展相应的涡激运动研究具有重要意义。研究主要关注的是不同来流角、不同流速下平台的涡激运动特性。通过涡激运动时的横荡运动、水平面内运动轨迹、首摇运动和水动力系数及绕流流场的分析,可得:在折合速度约为6~8范围内,平台横荡运动存在明显的“锁定”现象(0°来流角无侧板时“锁定”范围约为Ur=7~10)。在0°来流角下较高流速时,减涡侧板对涡激运动有明显的抑制效果。平台的运动轨迹近似与平台硬舱截面的对角线平行(0°来流角除外),这不同于常规的单立柱Spar平台。此外,试验中还观察到较明显的首摇运动。涡激运动时各柱间绕流存在复杂的相互干扰,而在柱后形成共同的涡结构。     

内孤立波与Spar型浮式风机平台耦合作用研究

针对内孤立波与系泊浮式平台的耦合作用问题,本文以单立柱Spar型浮式风机平台为研究对象,研究了平台在内孤立波作用下的耦合运动特性。利用重叠网格技术及自编耦合动力程序,以计算流体动力学求解Navier-Stokes流体控制方程,建立了Spar型浮式风机平台与内孤立波(Internal solitary waves, ISWs)流固耦合作用数值模型。通过系列数值模拟,研究了Spar型浮式风机平台在内孤立波作用下的水平动态载荷和纵荡、横荡规律。研究表明,内孤立波对Spar平台会产生较显著的水平作用力,并产生大幅的水平位移;在水深一定时,同一流体分层比下,随着内孤立波振幅提高,纵荡运动幅值增大;当振幅一定时,随着流体分层比的增大,纵荡幅值减小;通过调整系泊系统,发现非线性系泊系统下平台纵荡幅值要大于线性系泊系统下的情况,即线性系泊系统会低估纵荡运动幅值。     

大直径浮式结构涡激振动的数值模拟

通过数值模拟的方法研究Spar平台两自由度涡激运动,建立考虑流固耦合时Spar平台涡激运动时域数值模型,采用Matlab软件编程计算了Spar平台在不同流速下的两自由度涡激运动响应,并比较了Spar平台涡激运动时非线性阻尼对于结构的影响。通过对数值模型模拟结果的比较发现,非线性阻尼能降低Spar平台两向涡激运动响应的计算结果,尤其是当平台发生共振时,这个影响更为显著。     

传统Spar平台和型组合共振运动响应研究

研究传统Spar平台在长周期规则波浪下的和型组合共振现象.考虑垂荡与纵摇运动的相互影响以及瞬时波面对于纵摇运动的参数激励作用,建立平台两自由度耦合运动方程.采用多尺度法导出了当波浪频率接近垂荡与纵摇固有频率之和时方程的一阶摄动解.针对一座实际Spar平台,通过求解幅值分岔方程,得到平台在不同波高下的运动响应并进行了数值模拟.计算结果发现,当波浪幅值超过某一极限值时,平台出现较大幅值的垂荡与纵摇亚谐共振运动.研究结果揭示了Spar平台出现和型组合共振的条件和组合共振时的动力特性.     

深水Spar钻井生产储卸油平台涡激运动及其影响研究

针对应用于中国南海的新型深水Spar钻井生产储卸油平台进行了涡激运动特性与影响的研究。对该平台进行涡激运动拖曳试验,根据规范和动力学分析得出平台的拖曳力系数和升力系数,通过比较南海流速分布情况与平台涡激运动与流速关系发现:该平台在一般海况下即可发生幅值为10 m左右的涡激运动;对平台进行水池模型试验,进一步验证涡激运动拖曳试验结果并分析平台运动性能,对平台受到的脉冲拖曳力和升力载荷进行了初步校验。通过模型试验对平台涡激运动特性有了初步认识,发现在百年一遇条件下,平台脉动拖曳力载荷与升力载荷比为1∶3;一年一遇条件下,平台脉动拖曳力载荷与升力载荷比为1∶1。根据试验结果对数值模型进行了修正并与试验值进行比较,比较结果表明经过修正后的计算结果与试验结果取得了良好的一致性。比较了全尺度下涡激运动对于平台系泊系统和平台水平位移的影响,结果表明:涡激运动的存在使得Inline方向系泊张力增加5%,并使得系泊缆受力分布产生变化,位移增加27%;Between line方向张力增加15%,位移增加2.5%。涡激运动对于平台极限张力以及极限漂移出现方向还有待进一步研究。涡激运动对于平台系泊系统疲劳寿命的影响还需进一步研究。     

浮式平台横荡运动对水下柔性立管涡激振动的影响

由于深水浮式平台的运动幅度较固定式平台增大,其运动与下部立管的动力耦合变得更加明显。研究了上部平台运动对水下立管涡激振动的影响,基于有限元数值模拟,建立了与结构运动耦合的立管尾迹流场的涡激升力、流体阻力模型,进行了"平台运动-立管涡激振动"整体系统的动响应数值模拟,分析了平台横荡运动的幅值、频率等因素对水下立管涡激振动的影响。结果表明,上部平台的振动会在沿着立管展向传播的过程中被放大(称为响应放大);与不考虑平台运动相比,立管的动响应位移增大了多倍,而且振幅放大倍数随着模态阶数的降低而增大;平台横荡振幅越大,立管振动幅值也越大,但是振幅放大倍数的变化不明显。     

考虑涡激运动下海洋柔性立管的疲劳损伤分析

基于ABAQUS/AQUA模块,当Spar平台发生涡激运动时,对与平台相连接的柔性立管进行时域动态响应分析,得到了不同折合速度下柔性立管的应力响应曲线.对立管触地区域和悬垂段进行了细化的分析,并利用S-N曲线和Miner线性累积损伤理论对平台涡激运动引起的柔性立管疲劳损伤进行了计算.研究结果表明:平台涡激运动对立管触地区域和悬垂段的影响较大,这两部分最容易在长时间的工作中产生疲劳损伤.特别是平台运动到近点时,立管触地区域受到的应力急剧增加,这个区域是立管工作的危险区域,应该特别注意.该研究结论可以作为立管结构设计和海底铺设时的参考,通过增加立管触地区域的结构强度和优化铺设方式,从而来提高立管的疲劳寿命和系统的安全性.     

畸形波作用下张力腿浮式风力机动力响应特性

针对张力腿系泊浮式风力机的基础运动,忽略柔性构件的影响,建立气动—水动—系泊非线性耦合运动方程。在运动控制方程中包含张力腿系泊系统的非线性回复刚度,桨距角控制以及浮式基础运动对空气动力载荷的影响。在波浪载荷的计算中考虑二阶波浪载荷的作用。采用随机频率相位角调制法生成畸形波波面时历,计算在畸形波作用下张力腿型浮式风力机的动力响应特性。数值模拟结果表明,在畸形波作用下,浮式基础的运动及空气动力性能均受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡和纵摇运动分别受二阶差频与和频波浪力的影响,而垂荡运动的增加则主要是受下沉运动的影响。在畸形波经过的时刻,风力机的功率系数迅速下降,水平方向的风载荷波动先减小,随后其数值急剧下降,而垂直方向的风载荷波动增大。     

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％.     

非均匀风影响下风力机三维气动粘性流场的数值模拟

基于面向对象的开源软件OpenFOAM,选择美国国家新能源实验室(NREL)Phase VI风力机为对象,对以往研究较少的非均匀来流风速作用下风力机三维气动粘性流场进行数值模拟。采用较为接近于真实情况的指数型风剖面,计算了轮毂处风速分别为5、10、15和25 m/s四种工况下的叶片表面压力分布、叶片的推力、尾涡等气动力数据,并与均匀来流风速下的风力机气动力学性能进行详细的对比,探讨非均匀风剖面对风力机流场结构和流动特性影响的物理现象和规律。     

畸形波作用下半潜浮式风机系泊失效停机响应分析

半潜浮式风机逐渐在深海风电开发中受到关注,建立风机、平台与系泊结构耦合数值计算模型,通过FAST与AQWA链接进行风机塔基荷载及平台运动响应相互耦合传递,基于随机波与极限波组合模型生成畸形波时程序列,进行半潜浮式风机系泊失效全过程时域模拟计算分析,得出系泊锚链张力、风机、塔筒和平台运动时程响应,探究系泊失效、风机停机和叶片变桨速率对浮式风机平台系泊结构动力响应的影响。结果表明：畸形波作用下浮式平台和系泊结构动力响应显著,系泊失效导致塔基剪力增加,平台纵荡和纵摇运动响应显著增大;风机停机会引起系泊锚链张力显著减小,转子推力、塔基剪力和叶尖挥舞位移响应逐渐衰减,平台纵荡、纵摇和横摇运动响应显著减小;随着叶片变桨速率增加,风机转子推力和塔基剪力波动幅值增大。     

垂荡板对浮式风机水动—气动耦合性能影响研究

随着风电产业向深远海发展,浮式风机已经成为海上风机未来的发展趋势.由于复杂的风浪联合环境载荷作用,浮式风机作业时通常会产生大幅度的运动响应,这一方面会使得浮式风机系统受到的水动力载荷更加复杂,另一方面会影响浮式风机的输出功率.因此,如何有效地抑制浮式风机系统的运动响应就成为了设计的关键.基于非稳态致动线模型和两相流求解器naoeFOAM-SJTU,进行了带垂荡板的浮式风机耦合性能研究.首先在OC3-Hywind Spar平台上附加垂荡板,并结合NREL-5 MW风力机建立带垂荡板的浮式风机模型.其次对比不同形状的垂荡板对Spar-5 MW型浮式风机气动—水动耦合结果,分析相同风浪联合作用条件下垂荡板形状对浮式风机耦合响应的影响.研究结果表明:垂荡板能够减小纵荡和垂荡等运动响应幅值,但是对纵摇运动响应影响较小;当垂荡板直径和吃水位置相同时,相同风浪条件下圆形垂荡板能使浮式风机的气动平均功率增大约0.844％,而正方形垂荡板却使平均功率减小1.492％,这说明圆形垂荡板对浮式风机系统的作用效果整体而言优于正方形.     

海上浮式风机气动性能数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法,基于RANS方程和SST k-ω湍流模型,对OC3-Hywind Spar浮式平台支撑的NREL5 MW风机进行气动性能模拟。对固定式风机的数值模型做网格无关性验证,同时考虑垂直风切变的影响,并将数值结果与NREL设计数据进行对比以验证模型的有效性。在FLUENT软件中,设定嵌入式滑移网格和用户定义程序(UDF)来模拟风机叶轮随平台的周期运动,分别研究浮式平台的纵荡、纵摇和首摇运动对风机气动荷载的影响。数值结果表明平台的纵荡和纵摇运动对输出功率影响较大,且平台运动幅值越大周期越低,其气动荷载变化越剧烈。合理控制平台的运动幅值对提高浮式风机的发电性能和疲劳强度有很大作用。     

Concept Design and Coupled Dynamic Response Analysis on 6-MW Spar-Type Floating Offshore Wind Turbine

Tower, Spar platform and mooring system are designed in the project based on a given 6-MW wind turbine. Under wind-induced only, wave-induced only and combined wind and wave induced loads, dynamic response is analyzed for a 6-MW Spar-type floating offshore wind turbine (FOWT) under operating conditions and parked conditions respectively. Comparison with a platform-fixed system (land-based system) of a 6-MW wind turbine is carried out as well. Results demonstrate that the maximal out-of-plane deflection of the blade of a Spar-type system is 3.1% larger than that of a land-based system; the maximum response value of the nacelle acceleration is 215% larger for all the designed load cases being considered; the ultimate tower base fore-aft bending moment of the Spar-type system is 92% larger than that of the land-based system in all of the Design Load Cases (DLCs) being considered; the fluctuations of the mooring tension is mainly wave-induced, and the safety factor of the mooring tension is adequate for the 6-MW FOWT. The results can provide relevant modifications to the initial design for the Spar-type system, the detailed design and model basin test of the 6-MW Spar-type system.     

波浪载荷及气动力引起的半潜浮式风机疲劳损伤分析

研究浅水半潜式大功率浮式风力机波浪载荷和气动力引起的基础结构疲劳损伤,揭示基础结构的疲劳损伤机理。采用谱疲劳损伤计算分析方法,以10 MW风力机为例,计算波浪载荷引起的热点应力及多种海况引起的疲劳损伤。采用叶素动量理论并基于所在海域的风速分布,计算叶轮转动引起的气动力及其引起的疲劳损伤。计算结果表明,对于半潜式三立柱浮式风力机,波浪载荷引起的基础结构应力远大于气动力引起的基础结构应力,基础结构损伤主要是由波浪载荷引起,气动力引起的浮式基础结构的损伤为10^-3量级,而波浪载荷引起的损伤为10^-1量级。     

10MW级海上浮式风机运动特性研究

以DTU 10 MW基准风机为研究对象,单柱式平台作为基础支撑结构,使用FAST软件计算分析,考虑单独风、单独波浪以及风浪组合三种环境条件,对10 MW级海上浮式风机的运动特性进行研究。研究发现:系统摇荡是风激励的低频运动和波浪激励的波频运动的合成,气动阻尼削弱系统的波频运动;系统纵荡和纵摇运动存在明显的耦合现象,而垂荡运动和其他方向的运动没有耦合关系;受纵摇影响,转动的风轮产生陀螺惯性力矩,激励首摇运动;随着风机单机容量的增加,风激励的低频运动比例增大,波浪激励的波频运动比例减小。     

新型浮式基础的海上风机系统动力响应研究

概念性地设计了一种新型半潜—Spar混合浮式基础,以5 MW水平轴风机为例,研究了该新型浮式基础支撑的浮式风力机系统的动力响应。基于三维势流理论和Morison公式,应用SESAM软件建立浮式基础模型,在频域内计算了该浮式基础的水动力参数和响应算子,分析了浮式基础的运动性能。考虑叶片气动载荷和浮式基础波浪载荷,应用FAST软件对风机—浮式基础系统进行时域计算,分析风力机系统的运动性能。结果显示,该浮式基础运动幅值较小,具有良好的运动性能。