漂浮运动对风力机气动特性的影响分析

海上浮式风机为蕴藏丰富的深海风能开发提供了有效的解决方案,浮式基础存在的大幅度纵荡、纵摇和艏摇运动可以改变风轮与流场间的相互作用,从而影响风力机的气动特性。基于叶素-动量理论及其修正方法,以NREL 5MW风力机为研究对象,考虑浮式基础运动对叶片不同径向位置处相对入流风速的影响,提出了风载荷的计算模型,通过编程计算获得了叶轮转矩和风力机功率,并比较了不同运动形式对风力机功率波动的影响。结果表明,纵摇对其功率特性影响最大,这为海上浮式风机的优化设计提供理论依据与数据基础。     

半潜式海上浮式风机气动阻尼特性研究

由于海上漂浮式风机具有较大的支撑平台运动,气动阻尼效应对海上漂浮式风机的运动响应带来了重要的影响, 日渐受到相关国内外学者的关注. 为了研究海上浮式风机的气动阻尼特性,本文推导了海上浮式风机气动阻尼力的数学模型,并借助模型实验和数值计算的方法,研究了半潜式海上浮式风机的气动阻尼特性及其作用规律. 结果表明,浮式风机的风轮旋转时的气动阻尼比风轮非旋转状态时更加明显;在作业工况下,气动阻尼对半潜式浮式风机平台的纵荡、纵摇、机舱的运动有明显的抑制作用,且主要体现为对半潜式浮式风机的平台运动固有频率响应的抑制作用,对波频范围的平台运动作用甚微. 其变化规律与风速大小、波浪载荷等有关,在风机的额定工况之前,气动阻尼通常与风速呈正相关关系,但是增长率有逐渐减小的趋势;在控制系统作用下,当入流风速接近或超过风机额定风速时,容易出现气动负阻尼现象,反而进一步强化浮式风机的运动响应,此时通过降低变桨距控制器的比例系数,即降低变桨距控制器的灵敏度,有助于增加海上浮式风机的气动阻尼效果,并且在一定程度上减缓负的气动阻尼的发生,改善海上浮式风机的运动响应.      

海上浮式风机气动力-水动力耦合分析研究进展

近年来,海上浮式风机受到了越来越多的关注.相比陆上风机,海上浮式风机承载着更加复杂的环境载荷.本文针对海上浮式风机气动力-水动力耦合分析问题,对风机的气动力载荷计算、浮式基础的水动力载荷计算,以及浮式风机系统在风浪流联合作用下的气动力-水动力耦合分析等方面,分别进行了研究方法及研究现状的介绍,同时简要分析了海上浮式风机的发展趋势及面临的问题和挑战.     

浮式垂直轴风机的动力学建模、仿真与实验研究

考虑气动力和水动力的耦合研究浮式垂直轴风机系统的运动响应,将固定式垂直轴风机的气动载荷计算方法进一步推广到海上浮式垂直轴风机的气动载荷计算.考虑阻尼力、波浪力、风载荷、系泊力等,建立了浮式垂直轴风机系统的纵荡-垂荡-纵摇运动方程.考虑动态失速和浮式基础运动,基于双致动盘多流管理论,推导了风机叶片气动载荷计算公式,编制了数值计算程序.以Sandia 17 m风机为例,验证了气动载荷计算程序的正确性.最后进行了模型实验,其中模型的风机为Φ型达里厄垂直轴风机,支撑基础为桁架式Spar型浮式基础,将模型实验结果与数值计算结果进行了对比,验证了耦合计算程序.结果表明,数值计算得到的风机系统的垂荡、纵摇运动的RAO(幅值响应算子)曲线与模型实验结果吻合较好,验证了耦合程序的正确性.然而,由于数值计算与模型实验在运动自由度、阻尼、风载荷等方面存在差别,数值计算结果与模型实验结果仍有一定的差异.     

螺旋侧板和水深对浮式风机动态响应的影响

为研究漂浮式风力机平台动态响应的优化措施,提出平台附加螺旋侧板的方式。建立基于Spar平台的5MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到不同水深条件下,风力机平台在风、浪、流载荷联合作用下的频域特性,通过与不附加螺旋侧板情况下的动态特性参数对比,探讨螺旋侧板是否对结构的频响特性起到提升作用。结果表明,附加螺旋侧板后,结构的垂荡和纵摇的运动幅值和所受波浪力均得到了显著抑制;与纵荡和纵摇相比,垂荡运动的幅值和所受波浪力所受影响更显著;水深变化对结构响应的幅值有着显著影响。     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物,浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定,发生复杂的耦合作用.为准确模拟多液舱浮式结构物的运动,本文引入一种有效的时域解耦算法.该方法以模态分解法为基础,通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解,最终形成时域解耦运动方程,无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度.该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足,减少解耦过程的计算耗时.本文进一步结合边界元数值方法,分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究.通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比,验证了本文时域解耦算法的有效性.本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响,发现存在一个共振影响区间:当外场波浪频率在该区间之外时,可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动;在比该区间更低频的波况下,液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消,此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动;在比该区间更高频的波况下,液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位,此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动.本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况,发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响,但对垂荡运动影响很小.     

基于时域解耦算法的多液舱浮式结构物运动模拟

对于带有多个晃荡液舱的浮式结构物, 浮体的运动、外场水动力以及各舱内的液体晃荡力会实时相互决定, 发生复杂的耦合作用. 为准确模拟多液舱浮式结构物的运动, 本文引入一种有效的时域解耦算法. 该方法以模态分解法为基础, 通过对浮式结构物所受外域水动力和各液舱内非线性晃荡力进行模态分解, 最终形成时域解耦运动方程, 无需迭代求解过程即可显式计算浮式结构物的瞬时加速度. 该方法可避免传统迭代求解方法在迭代次数、截断误差和收敛特性等方面的不足, 减少解耦过程的计算耗时. 本文进一步结合边界元数值方法, 分别对单液舱浮式结构物和多液舱浮式结构物的工况开展数值模拟研究. 通过与单液舱浮式结构物的实验结果对比, 验证了本文时域解耦算法的有效性. 本文详细分析了晃荡力对单液舱浮式结构物运动的影响, 发现存在一个共振影响区间: 当外场波浪频率在该区间之外时, 可以在时域计算结果中观察到稳定的浮体运动; 在比该区间更低频的波况下, 液舱晃荡力与外场波浪力相位相反甚至可以相互抵消, 此时晃荡液舱的存在可以减弱浮体运动; 在比该区间更高频的波况下, 液舱内晃荡力与外场波浪力可以具有相同相位, 此时晃荡液舱的存在会加剧浮体的运动. 本文进一步研究了四液舱浮式结构物在波浪中的纵荡、垂荡和纵摇运动情况, 发现非线性液舱晃荡可对纵荡和纵摇运动产生影响, 但对垂荡运动影响很小.      

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε（RNG）湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室（NREL）5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε(RNG)湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室(NREL)5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

ALE动网格法在流固耦合数值模拟中的应用

为了解决流固耦合问题中的物体大幅度运动带来的困难,采用ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)动网格方法跟踪自由表面上浮体的运动.计算表明:浮体在无粘流体中的垂荡与弹簧-物体的振动模型理论解符合得较好;浮体在粘性流体中的自由横摇为阻尼运动,其横摇角度随时间的增加而减小,且在不同初始角度下运动系统的固有周期相当.在有外力力矩激励时,外力力矩的周期与系统的固有周期相当时浮体横摇运动趋于共振状态,运动幅度最大.计算结果验证了计算程序的可靠性与精度.本文方法为ALE方法应用于流体-多浮体耦合运动分析奠定了基础.     

大型漂浮式风电装备耦合动力学研究: 历史、进展与挑战

风电是可再生能源的主力军, 在优化能源结构、缓解气候变化方面发挥着重要作用. 经过数十年的发展, 风电装备逐渐向大型化和离岸化方向发展, 并由此形成“由陆向海, 由浅入深, 由固定式向漂浮式”的演变之路. 在水深大于50米的深远海域, 采用漂浮式支撑基础搭载大型或超大型风电机组是兼顾技术可行度和成本优势的理想选择. 如今, 大型漂浮式风机已成为下一代深远海风能大规模开发的主力装备, 是深化海洋风能开发的先导战略性高端装备, 是风电领域的研究热点和技术高地. 本文围绕大型漂浮式风电装备耦合动力学问题, 综述了国内外浮式风电技术的发展历程和研究现状, 结合作者团队多年的研究与实践经验, 介绍了浮式风机耦合动力学及其优化控制中的基础问题与研究现状, 总结了现阶段浮式风机耦合动力学研究中的困难与挑战, 为浮式风电研究人员提供参考.      

传统Spar平台垂荡主共振时非线性耦合响应的研究

考虑瞬时波面影响,建立了Spar平台垂荡-纵摇运动的参数激励耦合运动方程,应用多尺度法导出了波浪频率接近垂荡固有频率时响应方程的一阶摄动解并做数值验证。计算结果显示:当波浪高度达到一定值时,纵摇运动中出现大量的亚谐频率成分;随着波浪高度进一步增大,纵摇运动将出现明显的幅值跳跃现象。研究结果表明,能量渗透现象是纵摇运动失稳的主要原因,波浪激励力矩对于纵摇本身的贡献很小。由于垂荡模态存在能量饱和现象,多余的垂荡能量将会向纵摇模态转移,导致出现大幅值的纵摇运动。     

复杂工况下的大型风力机气动性能和尾迹研究Investigation of aerodynamic performance and wake of the large scale wind turbine in complicated conditions

在复杂工况下,大型风力机非定常特性会更严重,导致风力机气动性能变化和尾迹预测更加复杂。本文主要针对稳态偏航、动态偏航、风剪切和随机风速场等复杂工况,基于自由涡尾迹方法,嵌入复杂工况的模块,加入了动态失速模型和三维旋转效应模型修正,实现了复杂工况数值模拟计算,比较了不同复杂工况的气动载荷和尾迹形状。最后,得出了风力机在复杂工况下的气动性能、载荷和尾迹叶尖涡线特性,并计算出风力机在复杂工况下的气动载荷超调量和迟滞时间。对推进自由涡尾迹方法应用于风力机工程的大批工况载荷计算,提高大型风力机的载荷计算精度和设计水平等具有重要意义。     

基于DEM-FEM耦合方法的海上风机结构冰激振动分析

冰载荷是海上风机在寒区安全运行的重要影响因素之一,由其引发的冰激振动给风机结构带来了严重的危害. 本文通过离散元(discrete element method, DEM)-有限元(finiteelement method, FEM)耦合方法建立了寒区单桩式风机结构的 冰激振动模型.采用具有粘结-破碎性能的球体离散单元描述平整海冰损伤破坏行为,采用梁单元和三角形平板壳单元构造带有抗冰锥体的单桩式风机有限元模型.采用DEM-FEM耦合方法模拟不同冰速、冰厚条件下单桩式风机与平整冰相互作用过程,并且与IEC规范和ISO标准经验公式对比验证该耦合模型计算冰载荷的准确性.对比风机塔筒顶端和基础顶端的位移和加速度响 应时程,定性地给出风机结构不同部位振动响应行为差异性.风机不同部位动力特性差异原因为风机结构独特结构特点:下部为大刚度桩基和上部为高柔度塔筒,使其动力特征表现为主从式结构特性. “主-从式结构”特征使得结构在复杂的冰载荷作用下,风机塔筒(子结构)和桩基(主结构)表现为不同的响应行为,风机不同部位振动周期和加速度谱两者出现差异. 本文研究成果为海上风机抗冰设计和疲劳分析提供了有益参考.      

耦合船体横摇的减摇水舱流体运动和减摇效果预测Fluid motion and stabilization effect prediction of anti-rolling tank coupled ship rolling

减摇水舱用于减小船体的横摇运动。由于水舱内部结构复杂,导致流体晃荡呈非线性。为了降低预测水舱特性和减摇效果的难度,采用计算流体力学VOF模型来分析水舱中流体的晃荡,在时域内,运用数值方法完成船体非线性横摇运动的实时仿真,其中耦合了水舱中流体和船体的运动。船体随机横摇时,进行水舱流体流量和力矩的功率谱分析,得到减摇频率范围及减摇前后的效果。结果表明,在其减摇频率范围内,减摇水舱具有良好的减摇能力,验证了此方法的可行性。     

台风过境下大型单桩式海上风机结构动力特性研究

风机大型化是我国海上风电技术发展的重要方向. 东南沿海是我国海上风电发展的重要基地, 这一区域频繁发生的台风对海上风机的影响不可忽略. 台风风场与常规大风风场有不同的湍流特性, 同时台风期间较高的风速会引起巨大的台风浪. 本文考虑台风经过期间独特的风场及波浪场, 开展风浪联合作用对大型单桩海上风机影响的研究. 基于DTU 10 MW大型单桩风机, 运用一体化分析软件SIMA建立风浪联合作用下大型单桩风机的耦合数值模型, 研究台风经过不同阶段大型风力机的动力响应特性. 计算结果显示, 叶片变桨能有效降低台风经过时风机叶片所受风载荷, 变桨状态下单桩风机所受风载荷主要来源于塔筒. 在台风经过的不同阶段, 大型单桩海上风机结构表现出不同的动力特性. 台风全过程塔筒运动均受波浪激发一阶频率控制, 塔基上方结构动力载荷以惯性载荷为主, FOVS至FEWS阶段及BOVS阶段至BEWS阶段塔筒运动一阶频率处响应能量增长较小, 响应能量向低频及波频转移. 塔基下方泥面线处剪力响应受波频控制, 弯矩响应受一阶频率控制.      

规则波中高速滑行平板的纵摇与升沉运动

滑行艇在波浪中航行,在波浪的强制下,产生纵摇与升沉的非定常运动.本文研究了二维滑行平板在规则波中的这种非定常运动,得到了计算水动力精确到F~-2的公式,对于一定载荷一定航行状态的滑行平板,给出了计算来波引起的纵摇与升沉幅度的代数方程组.     

分层流体中内波与半潜平台相互作用的模型试验

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题进行了模型试验研究.采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系.利用激光和倾角仪方法对半潜平台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之间的相关关系.结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽视的.特别地,发现了在内波周期的某个范围内,半潜平台的纵荡和纵摇都会出现倍频周期运动响应的现象.     

Experiments on the interaction of internal waves with the semi-submersible platform in a stratified fluid

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题 进行了模型试验研究. 采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了 测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系. 利用激光和倾角仪方法对半潜平 台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之 间的相关关系. 结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽 视的. 特别地,发现了在内波周期的某个范围内, 半潜平台的纵荡和纵摇都会出现 倍频周期运动响应的现象.     

潮流能发电平台的水动力特性及动力响应分析

运用水动力学软件AQWA对潮流能发电平台进行了频域分析,得到不同重心高度、不同水深、遭遇不同浪向角条件下平台各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。再对平台进行了风浪流联合作用下的时域耦合分析,研究不同系泊角度对平台运动响应和系泊缆张力的影响。计算结果表明:纵荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而逐渐减小,横荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而增大,纵荡、横荡上主要表现为与波浪的低频共振,浪向角较小会产生较大的垂荡运动、纵荡运动、纵摇运动,浪向角较大会导致较大的横摇运动;水深小于10m时,海底对波浪的反射作用对平台纵荡和艏摇运动影响比较明显;小范围内的重心高度变化对平台各自由度幅值响应算子影响较小。当系泊角度为45°时,系泊系统对平台运动响应的控制更好,且此时系泊系统的安全系数最大,主要系泊缆受力更加合理,平台更安全。