海上風力機系統(tǒng)流體動力性能數(shù)值模擬與試驗研究.pdf

1、在全球的范圍內(nèi)，開發(fā)與利用風能正在以迅猛的速度增長。相對于陸地風能資源，海上風具有更加穩(wěn)定強勁等優(yōu)勢，因此風電產(chǎn)業(yè)正在逐步向海上邁進。但是，海上風力機系統(tǒng)處于復雜海洋環(huán)境中，致使其流體動力性能不同于常規(guī)的陸地風力機和海洋采油平臺。對于海上風力機系統(tǒng)在隨機風浪載荷作用下的葉輪氣動力性能、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力性能以及運動響應(yīng)規(guī)律等流體動力學問題，至今仍然沒有一套系統(tǒng)有效的分析方法。
　　 因此，本文以海上風力機為背景，基于葉輪空氣動力學

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

3、開發(fā)了水平軸風力機葉輪空氣動力性能的數(shù)值計算程序，該程序可用于模擬葉片升阻力系數(shù)、葉輪軸向風載荷和轉(zhuǎn)矩等氣動性能參數(shù)。利用此程序，以一個1.5MW水平軸海上風力機為算例，獲得了實際風場中正常風況的湍流風速及其作用下的葉輪空氣動力性能的變化規(guī)律。
　　 在水動力性能研究方面，提出了針對于不同基礎(chǔ)形式的水動力分析方法，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力機的水動力性能數(shù)值模擬中。針對于單樁基式海上風力機，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海上風力機算例的單樁基礎(chǔ)波浪載荷時歷，分析得出了單樁基礎(chǔ)在非線性波浪作用下的受力特點；針對半潛式海上風力機，基于大型浮體在波浪中運動的三維勢流理論，在頻域中建立某5MW半潛式海上風力機的水動力數(shù)值模型，分析得到了半潛式海上風力機的水動力性能參數(shù)，整體運動響應(yīng)、機艙加速度響應(yīng)及其短期預(yù)報的變化規(guī)律，使用統(tǒng)計分析方法預(yù)報了三種典型短期海況中的運動響應(yīng)水平和

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

6、荷變化規(guī)律，特別探討了低頻風載荷與低頻系泊力之間的關(guān)系?；菊莆樟税霛撌胶Ｉ巷L力機系泊系統(tǒng)不同于陸地風力機和常規(guī)海洋采油平臺的特殊的運動和受力規(guī)律。
　　 在水動力學試驗研究方面，設(shè)計了5MW半潛式海上風力機系泊系統(tǒng)的試驗?zāi)Ｐ?，建立了海上風力機系統(tǒng)水動力學試驗系統(tǒng)，給出了海上風力機系泊系統(tǒng)水動力性能的試驗方案，掌握了海上風力機水動力性能試驗方法。試驗中，分析了垂蕩板對于海上風力機系統(tǒng)運動性能的改善作用，研究了定常風對于海上風力機

7、系統(tǒng)運動的顯著影響，探索了風浪聯(lián)作用的隨機海況下海上風力機系統(tǒng)運動響應(yīng)規(guī)律。此外，使用試驗測得的垂蕩阻尼對于半潛式海上風力機系泊系統(tǒng)耦合運動的數(shù)值模型進行了修正，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，對于我國研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的單樁式和半潛式海上風力機概念，全面掌握和深入探究海上風力機系統(tǒng)的流體動力性能特點，形成海上風力機流體動力載荷及響應(yīng)的預(yù)報方法和試驗技術(shù)手段，促進我國海上風能開發(fā)與利用均具有十分重要