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。     

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。     

半潜式浮式风机支撑平台首摇运动特性分析

借助FAST软件对OC4半潜式浮式风机平台进行数值计算,分析了影响海上浮式风机平台首摇运动的一系列重要因素及其变化规律(如风向变化、浪向变化、陀螺力矩等)。研究了平台首摇运动所诱导的风机系统动力响应,发现浮式风机首摇运动不仅会加剧平台耦合运动响应,而且还会影响风机的气动性能和加剧锚泊张力波动。提出并探讨了几种减小海上浮式风机支撑平台首摇运动的方法。     

海上浮式核电站温排水对海洋生态环境的影响

开发海上浮式核电站,可以有效地解决海洋工业的用能需求,符合国家能源发展战略。海上核电冷却循环系统产生的温排水会对海洋环境本体及其生态系统产生一定的负面影响,是环评工作关注的重点。论述了海上核电站温排水的特点,分析了其对受纳海域水文条件、海水水质、生态环境、生物群落组成与结构等方面产生的影响,提出了温排水的热污染控制对策。     

海上浮式光伏结构及其水动力问题研究展望

淡水水体的浮式光伏发电技术弥补了传统陆基光伏的部分缺陷,在近十年的时间里得到快速发展,与此同时,将浮式光伏技术应用于海洋环境成为了各国学者面临的重要命题。海上环境不同于陆地,在同等光照条件下,海面开阔,日照时间长、辐射量高等优势使得海上光伏项目的光照利用效率更高,发电量可以得到显著提升,但是如何保证海上光伏在极端自然环境下的生存是该项目未来能否实施的最大挑战。首先概述了浮式光伏系统的发展历程,分析了各类浮式结构的形式、特点及其对海洋环境的适用性;然后针对不同结构形式和不同锚泊形式的海上浮式光伏结构,重点围绕其在遭受波浪和风荷载情况下可能遇到的水动力问题和结构强度问题,从设计可行性的角度分析了国内外学者针对相关结构的一些研究成果;最后提出海上浮式光伏系统未来可能的发展方向。     

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％.     

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。     

风浪流中半潜式风机系统动力响应特性研究

以三浮筒(Tri-floater)型半潜式风机系统为对象,采用时域方法,考虑垂荡板的黏性阻尼效应,研究系泊缆直径、长度、预张力和布置方式等参数对其在风浪流中动力响应特性的影响规律,提出了一种系泊参数优化方法。在此基础上,根据东海和南海三个不同水深区域百年一遇海洋环境条件,通过调整Tri-floater型浮式基础的吃水和垂荡板等参数,有效地提高了其运动响应周期,减小了其运动响应幅值。同时,根据风机浮式基础运动幅值的设计规范要求,针对三个不同水深区域特点,设计了Tri-floater型浮式基础的系泊系统。计算结果表明,改进后的Tri-floater型半潜式风机系统能满足百年一遇极端环境下的作业要求,适合于东海和南海海洋环境下海上风能资源的开发。     

浅水浮式风机基础水动力特性及波浪荷载的CFD数值分析

采用计算流体动力学(CFD)方法对OC4-DeepCwind半潜式风机基础在30～100 m水深下的水动力特性和非线性波浪荷载进行了研究。基于验证的数值波浪水池,通过结构自由衰减运动及规则波下浮式基础的幅值响应算子(RAO)计算,分析了浮式风机基础的结构动力特性及水动力特性随水深的变化规律,研究了浅水条件下非线性波浪荷载特征。研究结果表明,随着水深的减小,风机基础结构垂荡固有周期略有增大,垂荡和纵摇的阻尼比均呈现逐渐增大的趋势;与黏性流理论计算结果相比,势流结果在浅水波浪工况下对垂荡和纵摇RAO存在显著低估;在浅水波浪作用下,风机基础所受波浪荷载的三倍波频成分占比可超过5%,体现了浅水条件下波浪与结构之间较强的非线性作用。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。