浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应数值模拟

随着海上风电产业的快速发展,大型浮式风机逐渐从概念设计走向工程应用,但仍面临较大的挑战。一方面,在风、浪等环境载荷的作用下,浮式风机的气动载荷和水动力响应之间存在明显的相互干扰作用;另一方面,风力机大型化使得叶片细、长、薄的特点愈发突出,叶片柔性变形十分显著,这会影响到浮式风机的耦合性能。基于两相流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,结合弹性致动线模型和等效梁理论,建立了浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应计算模型,并对规则波和剪切风作用下Spar型浮式风机的气动—水动—气弹性耦合响应进行了数值模拟分析。结果表明,风力机气动载荷使得叶片挥舞变形十分显著,而叶片的扭转变形会明显降低风力机的气动载荷。此外,风力机气动载荷会增大浮式平台的纵荡位移和纵摇角,同时,浮式平台运动响应会导致风力机气动载荷产生大幅度周期性变化。进一步地,叶片结构变形响应会使得浮式风机尾流场的速度损失和湍动能有所降低。     

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。     

考虑二阶波浪荷载效应的海上TLP浮式风机分析

基于多数专业风机数值模拟软件只可进行一阶波浪荷载计算这一缺点,文中将以AQWA为基础,利用其可进行二次开发的技术优势,通过实时调用风机气动荷载,实现海上TLP浮式风机分析。分析中,浮式风机平台一阶、二阶波浪荷载由AQWA计算,实时调用的气动荷载由动态链接库提供。该动态链接库主要包含了根据叶素动量定理自行编译的气动荷载计算程序。经过与FAST比较,得知该方法能满足分析需求。垂荡、纵摇力的二阶效应尤为明显。仅计算浮式风机平台波浪荷载时,可以不考虑风荷载的影响,但必须考虑平台运动的影响,波浪荷载主要受纵荡、纵摇运动影响,几乎不受垂荡运动的影响;当研究浮式风机平台运动时,必须考虑风荷载和二阶波浪荷载的影响,二阶波浪荷载使得平台响应在整个频率范围内都明显增大。张力筋腱张力受二阶波浪荷载的作用更明显。     

浮式风机极限载荷与疲劳载荷对比分析

根据IEC61400-3设定工况,采用NREL开发的5 MW风机基础模型,应用FAST,以Aero-Hydro-Servo-Elastic耦合仿真技术对风机进行研究。对时域仿真得到的短期载荷,应用分块极大值法联合Gumbel分布外推计算风机极限载荷;以雨流计数法、线性累积损伤理论和S-N曲线为理论基础应用MLife软件,计算风机疲劳载荷。对比分析不同工况下浮式风机、近海单桩风机和陆上风机的极限载荷与疲劳载荷,进而探讨影响浮式风机动态响应的因素。结果表明,对于陆上风机和近海单桩风机,风是其主要载荷来源;而波浪是浮式风机主要载荷来源。对风机进行设计要根据特定海域统计的海洋气候条件,避免风机及其支撑结构的固有频率与波浪频率近似而产生共振;风机制造装配在一定误差范围内,质量不平衡对风机载荷几乎没有影响。     

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.     

海上浮式风机在支撑平台运动影响下的气动特性研究

浮式风机的平台作为支撑系统,其六自由度刚体运动响应决定上层风机的运动状态,也影响叶轮的环境载荷。叶轮的运动使周围流场变得复杂,叶片承受着非定常的气动载荷。研究中考虑叶片结构的运动,将基于定常流场的叶素动量理论用于局部叶素的气动分析,考虑偏航模型,充分模拟气流与叶轮的相互作用。在给定平台各个自由度运动下,计算叶轮气动参数,分析平台运动带来的影响,从入流速度方面探究引起气动载荷变化的本质原因。研究发现,叶轮气动性能和转动轴的方向有关,若平台运动改变转动轴方向,会引起气动载荷以多倍于叶轮旋转的频率发生周期变化,平台转动自由度的运动对叶轮气动性能影响显著。     

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。     

浅水半潜型浮式风机基础概念设计与模型试验研究

目前我国海上风电开发主要集中在近海海域。我国近海海域水深相对较浅,在浅水非线性波浪载荷作用下,浮式基础动力响应呈现显著非线性特性,导致浮式风机基础及其系泊系统设计极具挑战。针对我国近海浅水海域环境条件,基于半潜型浮式风机基础概念SPIC,采用参数化建模与优化方法,开展了42 m水深条件下半潜型浮式风机基础概念设计,并在海洋工程水池开展1∶50缩尺模型试验。模型试验的结果表明：半潜式浮式风机基础概念设计具有稳定性好、动力性能优良等优点,浮式基础纵摇运动、机舱加速度等指标满足规范要求。模型试验结果验证了该概念的可行性。     

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。     

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。     

超大型和大型半潜浮式海上风力机动力响应对比

以超大型风力机(DTU 10 MW)为研究对象,对现有的大型(NREL 5 MW)无撑杆半潜浮式风力机支撑平台进行放大设计,用于支撑超大型风力机,基于气动-水动-伺服-弹性全耦合计算模型,根据设定的典型工况,使用FAST软件对超大型和大型无撑杆的半潜浮式风力机系统进行时域耦合分析,并依据计算结果对超大型和大型浮式风力机系统的运动响应和结构动力反应等特性进行对比分析。研究发现:半潜浮式风力机大型化后,气动荷载效应对风力机系统的激励作用更为突出,使得浮式平台运动由风荷载激励的低频共振反应比例增大,波频运动比例减小,这也导致由浮式平台低频运动激励的锚链张力反应增大。此外,高倍的飞轮转动频率对大型半潜浮式风力机叶片、塔架结构的激励作用较超大型半潜浮式风力机更为显著。     

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。     

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。     

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。