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.     

基于非定常面元法的海上浮式风机气动性能研究

对于海上浮式风机而言,由于受到剪切风、塔影效应、浮式基础运动等因素的共同影响,其气动载荷会更加复杂,因此如何准确快速地对海上风力机的气动性能进行预估显得尤为重要。基于速度势的非定常面元法理论,研究海上浮式风机气动载荷特性,编制了相关的计算程序。以NREL 5 MW风机为例,建立了叶片和尾流的三维数值模型,计算得到了不同风速下风机的输出功率以及叶片表面的压力分布,对比数据结果分析了该方法的可靠性。针对非定常流动,模拟了剪切风和塔影效应的作用,并重点分析了浮式基础运动对风机气动载荷的影响。研究表明,浮式基础的纵荡和纵摇会增加输出功率的波动幅值,艏摇运动会导致单个叶片上的气动载荷产生较大的波动,为浮式风机叶片控制提供了参考。     

张力腿式浮式风机耦合动力响应理论模型与数值实现

针对张力腿结构动力响应特点,提出一套张力腿式浮式风机动力耦合理论模型,编制计算程序,并通过与实验结果的对比,验证理论模型以及程序的适用性。张力腿式系泊系统稳定性好,但张力载荷随平台位移的变化显著;张力腿结构的动态响应与支撑平台和风机系统动态响应存在显著的耦合作用。针对张力腿浮式风机动力耦合特性,采用谱方法对张力腿结构建立耦合动力模型;考虑细长体在波浪中受到的粘性力,通过哈密顿原理推导出张力腿运动控制方程,利用自主开发的计算程序DARwind和数值计算方法求解系统动态响应。最后,将数值计算结果同UMAINE的试验数据进行对比分析,以验证程序的合理性。     

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。     

浮式风机一体化模拟的计算参数设置影响研究

随着海上浮式风机的大型化发展，针对漂浮式风机的一体化耦合分析越来越重要。本文利用Simo-Riflex-Aerodyn 仿真工具建立OC4-Deepcwind 漂浮式风机一体化耦合模型，分析计算时间步长、初始截断时间、弹性结构单元离散数等计算参数对模拟结果的影响，包括浮式基础运动、系缆张力、叶片受力等。结果表明：当计算时间步长为0.005 s、0.01 s、0.02 s 时，浮式风机的响应结果差别较小，而计算消耗时间相差较大，0.01 s、0.02 s 的计算时间分别是0.005 s的70%、37%。相同工况下，不同参量响应达到稳定所需时间不同，纵荡需要的时间较长，最长达200 s；不同工况下，同一参量达到稳定所需时间也不相同，切出工况需要的时间最短，较额定工况快约60 s。结构单元离散数对塔柱受力影响较小，对叶片变形影响相对明显，当叶片离散数目减小时，响应值增大12%。实际中应根据具体工况选择合理的计算时间步长、初始截断时间和弹性结构单元离散数量。     

基于CFD-FEM的浮式结构水弹性响应数值模拟

开发并验证了一种基于CFD-FEM耦合的弹性浮体水弹性响应计算模拟方法。采用CFD方法建立黏性数值水池模拟非线性波浪,弹性浮板进行有限元离散,并在交界面进行数据交互实现耦合计算;通过与水池试验数据和三维板理论在各种波浪环境下的浮体垂向位移结果对比,证实CFD-FEM耦合方法的有效性。并进一步研究了浮板的厚度、入射波波幅和浮板的三维效应对浮板水弹性响应的影响。结论表明,波幅的增加会加剧弹性浮板的水弹性响应,浮板各点处的垂向位移随波幅的增加而增大;当浮板厚度改变时,不同厚度浮板自由端处的垂向位移差异较小,而在中部等位置处,厚度对浮板的水弹性响应有较大的影响。     

基于致动线模型的错列式两风机尾流场数值模拟

风电场中风机之间存在十分复杂尾流相互干扰现象,尾流相互干扰效应对风机的功率输出、叶片载荷等产生十分显著的影响。采用致动线模型以及计算流体力学方法,研究两风机之间的复杂尾流干扰效应。在保持两风机纵向间距一样的情况下,考虑两风机在不同横向间距下,数值模拟两风机的部分尾流相互干扰现象,分析两风机的气动功率输出特性、尾流速度变化特性、风轮平面附近轴向诱导因子分布特性,尾涡结构以及尾流干扰效应。数值模拟结果表明:在上下游风机在沿着流向方向距离保持不变的情况下,随着横向间距的变化,上下游风机的尾流存在十分复杂的尾流相互干扰效应,对下游风机的气动功率输出以及两风机风电场的整体流场产生了显著的影响。     

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。     

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。     

带偏航角串列式两风机复杂尾流场数值模拟

在多风机风电场中,通过主动调节上游风机的偏航角度,抑制上游风机尾流对下游风机的影响,减少风力机机组之间的尾流相互干扰,以达到提高整个风电场效率的目的。采用基于开源平台Open FOAM自主开发的FOWT-UALM-SJTU求解器中风电场求解模块ALMWindFarmFoam,将致动线模型与CFD方法相结合,利用大涡模拟(LES)计算研究当上游风机处于不同偏航角度时,两风机之间的复杂尾流干扰效应。对比分析偏航角度改变时,上下游风机气动功率的输出特性,尾流速度变化以及风机的尾涡结构。数值模拟结果表明:在上下游风机沿流向方向距离保持不变的情况下,随着上游风机偏航角度的变化,上下游风机的尾流干扰现象以及下游风机的入流条件会发生明显改变,并会对下游风机的气动功率输出以及两风机风电场的整体流场产生显著影响。     

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。     

气流喷射模拟海上浮式风电结构风机载荷实验技术初探

随着海上风电技术的快速发展,海上风电逐渐由浅海走向深海,海上风电基础结构型式将逐渐由固定式发展到漂浮式。在浮式风电结构的模型实验中,风机载荷的模拟是保证实验效果的重要因素。针对浮式风电结构模型实验中风机载荷的模拟问题,提出了一种新型的基于气流喷射、利用气流反作用力模拟风机载荷的实验方法并进行了初步验证。通过标定得到气流控制信号与反作用力的关系,将数值模拟得到的原型风机载荷时程转换为相应的控制信号,同时针对实验装置对气流变化的响应特性,对控制信号进行频域和时域修正,驱动气流喷射以模拟风机作用力和力矩。经过实验验证,载荷模拟装置产生的载荷在时域和频域上都能与模型实验所需风机载荷保持较好的一致性,证明该方法可行。     

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％.     

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。     

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。     

半潜型风机浮式基础设计及幅频运动特性研究

针对5MW海上风机,进行了半潜型浮式基础的概念设计,研究了其幅频运动特性。考虑风机浮式基础的稳性和运动要求,对浮式基础的构件进行设计,并进行舱室划分;考虑叶片产生的气动载荷影响以及风载荷作用,计算分析风机浮式基础的完整稳性及破舱稳性;考虑浮式基础构件及压水板的粘性阻尼,计算浮式基础的幅频运动响应特性。计算结果表明,设计的浮式基础运动性能满足风机发电作业的要求。     

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。