利用仿真软件FAST和OrcaFlex建立了风机-浮式平台-系泊系统在时域上的耦合分析模型,结合Miner线性损伤累积理论、雨流计算法和系泊T-N曲线,分析了浮式风机的系泊系统在不同气动模型和代表性工况下的疲劳问题,研究了气动荷载和风场湍流强度对系泊疲劳寿命的影响.结果表明:气动荷载会大幅缩短系泊的疲劳寿命,考虑湍流气动荷载时的系泊疲劳寿命仅为不考虑其影响时的1/5,故在系泊疲劳分析中应合理选择湍流风模型;当海况风速接近风机额定风速时,气动荷载会显著增大平台水平位移,导致系泊张力大幅增大,加速系泊疲劳损伤,缩短系泊疲劳寿命;平台的侧移响应会增大平台的侧倾响应,从而加速系泊的疲劳.

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。

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

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

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。

为研究三维风场参数对风机气动载荷和塔基载荷的影响,基于浮式风机一体化耦合分析方法,采用NREL 5MW风机和OC4-DeepCwind半潜式浮式风机基础作为分析对象,分别选取不同的风速和风向参数,对浮式风机的整体动力响应进行计算,得到气动载荷和塔基载荷随参数变化的响应结果。分析结果表明,风速和风向均对浮式风机的气动载荷和塔基载荷有显著影响。

海上风力发电场在世界范围内日益普及,由于对较高风能的需求和近海海域场地限制,风电开发逐渐向深海海域迈进,半潜浮式风机相较于固定式风机能够更好应对深海海域复杂的海况。本文基于CFD软件STAR-CCM+,采用计算流体力学方法和动态重叠网格技术,对粘性流体中的半潜浮式风机系统进行数值模拟。为了验证该软件数值模拟的准确性,本文首先对风机的气动力性能和浮式平台的水动力性能进行了计算,并与试验结果进行对比;然后建立了三维粘性数值波浪水池模型,选用10 MW半潜浮式风机系统,结合Catenary Coupling准静态系泊模块搭建风机—平台—锚泊耦合的多体运动模型;最后采用Navier-Stokes(NS)求解器,选取模型计算不同风机叶轮俯仰角度下海上浮式风机系统的运动响应及锚链载荷等。计算结果表明风机叶轮俯仰角度的改变对风机功率的影响明显,对推力的影响较

基于多数专业风机数值模拟软件只可进行一阶波浪荷载计算这一缺点,文中将以AQWA为基础,利用其可进行二次开发的技术优势,通过实时调用风机气动荷载,实现海上TLP浮式风机分析。分析中,浮式风机平台一阶、二阶波浪荷载由AQWA计算,实时调用的气动荷载由动态链接库提供。该动态链接库主要包含了根据叶素动量定理自行编译的气动荷载计算程序。经过与FAST比较,得知该方法能满足分析需求。垂荡、纵摇力的二阶效应尤为明显。仅计算浮式风机平台波浪荷载时,可以不考虑风荷载的影响,但必须考虑平台运动的影响,波浪荷载主要受纵荡、纵摇运动影响,几乎不受垂荡运动的影响;当研究浮式风机平台运动时,必须考虑风荷载和二阶波浪荷载的影响,二阶波浪荷载使得平台响应在整个频率范围内都明显增大。张力筋腱张力受二阶波浪荷载的作用更明显。

文章采用多体动力学仿真器FAST,研究5MW OC3 Hywind Spar浮式风机平台非稳态动力响应,计算工况为JONSWAP海浪谱,有义波高6.8 m,谱峰周期10.2 s,流速0.642 m/s,波浪、流和风方向均为0°。研究结果表明在气动载荷影响下,风机运行相比于风机停机时,浮式平台垂荡运动幅值减小,而平台纵荡和纵摇的运动幅度增加到2.1和1.5倍,其他自由度的运动幅度增加到1.2~1.8倍,平台系泊张力响应幅度最大增加到4倍。此外发现相对于风机正常运行情况,风机启动过程中平台的纵荡运动幅值增加19.3%,引起平台大幅度漂移运动,导缆孔张力增加10%。气动载荷主要影响平台6个自由度运动的最值和均值,而对平台系泊张力主要影响其标准差,建议研究浮式风机基础的运动响应及系泊张力应考虑风机运行的气动载荷。

为了研究海上浮式风机动力特性,揭示旋转叶片“动力刚化”现象,本文基于一致质量有限元法和Jourdain速度变分原理,建立浮式风机刚-柔耦合多体系统动力学模型。采用叶素动量理论计算非定常气动弹性载荷,编制浮式风力机系统的Matlab仿真程序。结果表明:旋转叶片刚度随转速增大而增大;叶片挥舞以波浪频率和气动频率1P响应为主,并存在二者的耦合频率以及2P、3P响应;浮式基础运动几乎只有波频响应,气动载荷对基础振荡幅值贡献非常小。