海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)流體動(dòng)力性能數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、在全球的范圍內(nèi)，開(kāi)發(fā)與利用風(fēng)能正在以迅猛的速度增長(zhǎng)。相對(duì)于陸地風(fēng)能資源，海上風(fēng)具有更加穩(wěn)定強(qiáng)勁等優(yōu)勢(shì)，因此風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正在逐步向海上邁進(jìn)。但是，海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)處于復(fù)雜海洋環(huán)境中，致使其流體動(dòng)力性能不同于常規(guī)的陸地風(fēng)力機(jī)和海洋采油平臺(tái)。對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)在隨機(jī)風(fēng)浪載荷作用下的葉輪氣動(dòng)力性能、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力性能以及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律等流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，至今仍然沒(méi)有一套系統(tǒng)有效的分析方法。
　　 因此，本文以海上風(fēng)力機(jī)為背景，基于葉輪空氣動(dòng)力學(xué)

2、、海洋工程水動(dòng)力學(xué)和系統(tǒng)耦合理論，應(yīng)用數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，分析海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的流體動(dòng)力性能特點(diǎn)，形成海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)在流體動(dòng)力作用下的載荷及響應(yīng)預(yù)報(bào)方法。這對(duì)于全面深入掌握海上風(fēng)力機(jī)的流體動(dòng)力學(xué)性能和規(guī)律，開(kāi)發(fā)可靠高效的海上風(fēng)力機(jī)提了供理論方法和分析技術(shù)，具有重要的理論和實(shí)際意義。
　　 在空氣動(dòng)力性能研究方面，基于正常湍流模型(NTM)描述了正常風(fēng)況下的風(fēng)湍流特性，再結(jié)合葉元體動(dòng)量理論(BEMT)和葉片攻角修正方法，

3、開(kāi)發(fā)了水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪空氣動(dòng)力性能的數(shù)值計(jì)算程序，該程序可用于模擬葉片升阻力系數(shù)、葉輪軸向風(fēng)載荷和轉(zhuǎn)矩等氣動(dòng)性能參數(shù)。利用此程序，以一個(gè)1.5MW水平軸海上風(fēng)力機(jī)為算例，獲得了實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中正常風(fēng)況的湍流風(fēng)速及其作用下的葉輪空氣動(dòng)力性能的變化規(guī)律。
　　 在水動(dòng)力性能研究方面，提出了針對(duì)于不同基礎(chǔ)形式的水動(dòng)力分析方法，并將這兩種方法分別應(yīng)用到單樁式和半潛式兩種海上風(fēng)力機(jī)的水動(dòng)力性能數(shù)值模擬中。針對(duì)于單樁基式海上風(fēng)力機(jī)，基于Stoke

4、s非線性波浪理論與Morison方程相結(jié)合的方法，建立數(shù)值模擬程序，研究了某1.5MW海上風(fēng)力機(jī)算例的單樁基礎(chǔ)波浪載荷時(shí)歷，分析得出了單樁基礎(chǔ)在非線性波浪作用下的受力特點(diǎn)；針對(duì)半潛式海上風(fēng)力機(jī)，基于大型浮體在波浪中運(yùn)動(dòng)的三維勢(shì)流理論，在頻域中建立某5MW半潛式海上風(fēng)力機(jī)的水動(dòng)力數(shù)值模型，分析得到了半潛式海上風(fēng)力機(jī)的水動(dòng)力性能參數(shù)，整體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、機(jī)艙加速度響應(yīng)及其短期預(yù)報(bào)的變化規(guī)律，使用統(tǒng)計(jì)分析方法預(yù)報(bào)了三種典型短期海況中的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)水平和

5、超越概率。
　　 在系統(tǒng)耦合研究方面，基于時(shí)域中浮體和系泊系統(tǒng)之間耦合運(yùn)動(dòng)的分析理論，探索了半潛式海上風(fēng)力機(jī)--平臺(tái)--錨泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)的求解方法，并將此方法應(yīng)用到一SMW半潛式海上風(fēng)力機(jī)系泊系統(tǒng)算例中。分別從時(shí)域統(tǒng)計(jì)和頻譜分析兩個(gè)角度，研究了風(fēng)浪聯(lián)合作用的四種典型工況下半潛式海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和錨鏈線張力的響應(yīng)變化特點(diǎn)。分析了耦合作用對(duì)半潛式海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能以及系泊系統(tǒng)受力的影響。結(jié)合前文得出的水平軸風(fēng)力機(jī)葉輪軸向風(fēng)載

6、荷變化規(guī)律，特別探討了低頻風(fēng)載荷與低頻系泊力之間的關(guān)系。基本掌握了半潛式海上風(fēng)力機(jī)系泊系統(tǒng)不同于陸地風(fēng)力機(jī)和常規(guī)海洋采油平臺(tái)的特殊的運(yùn)動(dòng)和受力規(guī)律。
　　 在水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究方面，設(shè)計(jì)了5MW半潛式海上風(fēng)力機(jī)系泊系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒘撕Ｉ巷L(fēng)力機(jī)系統(tǒng)水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，給出了海上風(fēng)力機(jī)系泊系統(tǒng)水動(dòng)力性能的試驗(yàn)方案，掌握了海上風(fēng)力機(jī)水動(dòng)力性能試驗(yàn)方法。試驗(yàn)中，分析了垂蕩板對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)性能的改善作用，研究了定常風(fēng)對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)

7、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的顯著影響，探索了風(fēng)浪聯(lián)作用的隨機(jī)海況下海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。此外，使用試驗(yàn)測(cè)得的垂蕩阻尼對(duì)于半潛式海上風(fēng)力機(jī)系泊系統(tǒng)耦合運(yùn)動(dòng)的數(shù)值模型進(jìn)行了修正，提高了數(shù)值模擬方法的可靠性和有效性。
　　 本文的研究成果，對(duì)于我國(guó)研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單樁式和半潛式海上風(fēng)力機(jī)概念，全面掌握和深入探究海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的流體動(dòng)力性能特點(diǎn)，形成海上風(fēng)力機(jī)流體動(dòng)力載荷及響應(yīng)的預(yù)報(bào)方法和試驗(yàn)技術(shù)手段，促進(jìn)我國(guó)海上風(fēng)能開(kāi)發(fā)與利用均具有十分重要