海上浮式風(fēng)力機(jī)流體動力響應(yīng)研究.pdf

1、在全球的范圍內(nèi)，海上風(fēng)能的開發(fā)與利用正在以迅猛的速度增長。相對于近海淺水風(fēng)能資源，近海深水水域風(fēng)速更大且更加穩(wěn)定，利用空間更大，固定式風(fēng)力機(jī)適應(yīng)水深無法超過30m，海上浮式風(fēng)力機(jī)概念在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，且快速發(fā)展。海上浮式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)處于復(fù)雜海洋環(huán)境中，不同于常規(guī)的陸地風(fēng)力機(jī)和海洋采油平臺，其載荷和運(yùn)動呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性和非定常性。本文以海上浮式風(fēng)力機(jī)為研究對象，利用葉素動量理論、完全細(xì)長體理論及懸鏈線理論等理論方法研究了浮式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)載荷

2、、動力響應(yīng)預(yù)報以及風(fēng)力機(jī)和浮體的響應(yīng)特性。
　　在風(fēng)力機(jī)空氣動力研究方面，基于風(fēng)力機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)和海洋工程坐標(biāo)系統(tǒng)建立了海上浮式風(fēng)力機(jī)的坐標(biāo)系統(tǒng)；基于偏航葉素動量理論，采用動態(tài)入流模型和失速模型等對其進(jìn)行了修正和補(bǔ)充，并考慮了浮式風(fēng)力機(jī)動態(tài)運(yùn)動引起的陀螺力矩，從而建立了完整的海上浮式風(fēng)力機(jī)氣動載荷及性能數(shù)值模型，通過對比驗(yàn)證，證明了該模型的準(zhǔn)確性；以美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）開發(fā)的5MW海上風(fēng)力機(jī)為研究對象，分別研究了風(fēng)力機(jī)

3、姿態(tài)、速度變化、六自由度運(yùn)動和控制系統(tǒng)對風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響，總結(jié)了各種因素對風(fēng)力機(jī)氣動性能的影響規(guī)律。
　　在系統(tǒng)的動力響應(yīng)模型方面，根據(jù)歐拉角建立了系統(tǒng)時域非線性耦合動力學(xué)方程，根據(jù)海上風(fēng)力機(jī)的復(fù)雜環(huán)境，考慮風(fēng)剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)和湍流風(fēng)效應(yīng)，建立了風(fēng)環(huán)境；根據(jù)風(fēng)力機(jī)氣動載荷數(shù)值模型和海洋工程風(fēng)載荷模型建立了浮式風(fēng)力機(jī)的風(fēng)載荷模型；考慮了規(guī)則波、隨機(jī)波浪和海流作用，基于非線性細(xì)長體理論建立水環(huán)境和水動力載荷模型；基于準(zhǔn)靜態(tài)懸鏈線

4、理論建立了系泊系統(tǒng)模型，形成了完整的海上浮式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)動力響應(yīng)數(shù)值模型，并以此分析了一種鉸接式平臺的水動力響應(yīng)特性。
　　在鉸接式海上風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)及響應(yīng)特性方面，參考各種海洋平臺形式并分析固定式基礎(chǔ)的限制條件，提出了一種鉸接式海上風(fēng)力機(jī)概念，并分析了這一概念的優(yōu)點(diǎn)?；贜REL5MW風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)了鉸接式平臺的基本參數(shù)，根據(jù)環(huán)境條件分別分析了定常風(fēng)和規(guī)則波對鉸接式海上風(fēng)力機(jī)的影響特性。在隨機(jī)風(fēng)浪環(huán)境條件下分析了系統(tǒng)運(yùn)動響應(yīng)特性和風(fēng)力機(jī)響

5、應(yīng)特性，總結(jié)了風(fēng)浪環(huán)境對風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的影響規(guī)律。
　　在海上浮式風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)研究方面，綜合風(fēng)力機(jī)風(fēng)洞試驗(yàn)和海洋工程試驗(yàn)的縮尺方法，提出了以Froude數(shù)為基準(zhǔn)的縮尺準(zhǔn)則，給出了海上浮式風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)中的重要參數(shù)的縮尺，論述了Reynolds數(shù)的影響?；谠囼?yàn)理論和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件，設(shè)計(jì)了鉸接式海上風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，給出了試驗(yàn)方案，探索了以定常載荷模擬風(fēng)力機(jī)氣動載荷的試驗(yàn)方法，分析了該方法的適用性和局限性。進(jìn)行了自由衰減、規(guī)則波響應(yīng)和隨機(jī)波浪響