不同动力学建模方法对浮式风机系统动力响应的影响研究

相对于固定式风机,海上浮式风力机系统的结构与受到的环境载荷更为复杂。为模拟其动力响应,选择合理的动力学建模方法致关重要。本文以OC4-NERL5MW浮式风力机为例,分别建立浮式风机系统的单刚体动力学模型与刚-柔耦合动力学模型,对比研究2种模型在计算浮式风机系统动力响应的差异。结果表明,2种模型在较高工况的运动标准差有一定差别,其他情况的运动响应及气动转矩的均值和标准差差别都不大。刚体模型有更高的计算效率,可用于设计初始阶段浮式风机系统的动力学参数及方案筛选的大规模计算;刚柔耦合模型有更高的计算精度,可用于后续的动力学参数精细校核。     

10 MW级半潜漂浮式风机的动力响应

选取新型钢筋混凝土结构OO-Star半潜浮式风机平台展开研究,采用ANSYS/AQWA建立半潜浮式基础的水动力数值模型,研究该平台的水动力性能.同时建立水动力-锚泊系统耦合数值模型,开展10MW级大型海上漂浮式风机在风浪作用下的动力响应研究.结果 表明,OO-Star半潜浮式风机平台水动力性能优异,且在不同风浪荷载环境作用下,运动响应以及锚泊系统的张力响应较为合理,未来必将在大型海上漂浮式风机的开发领域占有一席之地.     

海上浮式风机的动力学建模与响应分析（英文）

在恶劣的海洋环境下，浮式风机展现出复杂的动力特性。因此，对海上浮式风机的动力响应进行研究非常重要。本文基于有限元法与若丹速度变分原理，建立了浮式风机的刚-柔耦合动力学模型，依此编写了相应的数值计算程序并验证了程序的正确性。以安装在OC4半潜型浮式基础上的NREL-5MW水平轴风机为例，通过对比分析，研究了浮式基础的运动对风机动力特性的影响。结果表明，基础运动通过改变风机在风场中的位置与姿态对气动载荷与叶片变形产生影响。本文研究成果可以为海上浮式风机叶片设计提供一些合理建议。     

张力腿式浮式风机平台的水动力和空气动力耦合响应分析

文章采用了空气动力、水动力、控制与弹性完全耦合的时域模拟方法研究了张力腿式浮式风机平台的动力响应.水动力载荷的计算采用了三维势流理论与Morison公式.空气动力载荷的计算采用了叶素动量理论和广义动态尾流理论.利用FAST软件得到了张力腿式浮式风机平台响应的时域结果,并分析了其动力响应特性.建立了描述平台纵荡运动的非线性微分方程,并采用了摄动方法求得其近似解,解释了纵荡运动中由非线性粘性效应引起的高频响应.对数值模拟结果的分析表明高频的响应分量对平台的动力性能有显著的影响.     

张力腿式浮式风机平台的水动力和空气动力耦合响应分析（英文）

文章采用了空气动力、水动力、控制与弹性完全耦合的时域模拟方法研究了张力腿式浮式风机平台的动力响应。水动力载荷的计算采用了三维势流理论与Morison公式。空气动力载荷的计算采用了叶素动量理论和广义动态尾流理论。利用FAST软件得到了张力腿式浮式风机平台响应的时域结果,并分析了其动力响应特性。建立了描述平台纵荡运动的非线性微分方程,并采用了摄动方法求得其近似解,解释了纵荡运动中由非线性粘性效应引起的高频响应。对数值模拟结果的分析表明高频的响应分量对平台的动力性能有显著的影响。     

气动载荷对半潜式海上风机运动响应的影响分析

以DeepCwind海上风机为研究对象,利用有限元软件ANSYS AQWA进行风机频域水动力数值仿真分析,得到水动力参数以及幅频响应曲线,将得到的水动力参数导入到FAST软件中,对风机气动-水动-锚泊系统的时域耦合运动分析。在此基础上,讨论了气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响。结果表明,气动载荷对于半潜式风机运动响应的影响较大且不可忽略,横摇,横荡以及首摇运动随着气动载荷的增大而增大,垂荡运动随着气动载荷的增大而减小,风作用在叶片上所产生的气动阻尼削弱了垂荡运动,增强了横荡、横摇和首摇运动。     

海上浮式风机在波浪作用下的动力响应分析

基于三维线性频域势流理论和脉冲响应函数方法计算时延函数与时域波浪力,利用准静定系泊模型来模拟系泊力,利用计算流体力学方法得到粘性阻尼系数,建立了风机在波浪作用下的时域运动方程.论文求解DeepCwind半潜式平台风机的动力响应,计算结果与试验值以及其他数值模拟结果吻合的较好,证明了方法的适用性.     

非线性管土耦合条件下悬跨管道涡激振动响应时域预报

海底悬跨管道与海床耦合呈现高度非线性,使得发展一种时域预报方法成为需要.文章运用有限元法对输液张紧悬跨管道进行空间离散,并应用Facchinetti等改进的尾流振子模型和切片假定模拟每个有限单元上的涡激振动水动力,发展了一种悬跨管道-海床-流场多场耦合的非线性时域预报方法.在合理选取尾流振子模型附加水动力阻尼参数的基础上,时域预报了线性、理想塑性和张力截断弹簧模型下悬跨管道的涡激振动响应.研究结果表明,基于尾流振子的时域预报方法能够合理地描述非线性管土耦合边界下VIV响应;非线性边界条件下,锁定产生的最大响应幅值低于线性结果.     

深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析

文章基于三维时域势流理论和弹性细长杆理论,研究并提出了深海系泊浮体物面非线性时域耦合动力分析方法。该方法采用时域物面非线性理论方法在瞬态位置直接时域模拟系泊浮体所需水动力,结合有限元方法计算系泊缆索的动力响应,利用异步耦合方法实现浮体和系泊缆索的时域耦合动力求解。既满足系泊浮体时域水动力耦合,又满足系泊浮体和系泊缆索动力耦合。通过对二阶非线性不规则波作用下深海系泊半潜式平台的时域耦合响应特性进行研究,将不同海况下物面非线性时域耦合静力响应和动力响应与间接时域耦合动力响应的三种方法计算结果进行比较。研究结果表明,系泊缆索动力响应明显,平台瞬态空间位置对垂荡低频运动影响较大,有必要在平台瞬时湿表面采用动力响应方法进行深海系泊浮体时域耦合响应分析。     

变桨器故障引发停机对海上桁架式Spar风机运动的影响

应用空气动力-水动力时域耦合模型,模拟风机叶片因变桨器故障而卡住并由此引发的停机过程,研究此故障情况对海上桁架式Spar风机系统6个自由度运动响应的影响。研究结果表明:开发的数值模型成功地模拟了风机进入停机过程中的电网断开以及空气动力制动,预报的纵摇运动与其他数值模型的结果接近。通过桁架式Spar风机系统在正常工作情况和故障情况下的对比发现:纵荡、纵摇、横荡以及横摇的振幅因故障而增大,艏摇运动在停机过程中被快速激发,振幅大幅增加,揭示了此类故障对海上Spar风机系统的安全性构成威胁。     

Spar基础浮式风机系泊系统全耦合分析

本文以OC3 Hywind Spar基础浮式风机为研究对象,采用先进的空气动力-水动力耦合时域分析方法,针对其在中国南海某海域风浪流共同作用下,系泊系统、浮式基础运动以及风机与塔桶载荷响应进行分析。对比了定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统、整体运动响应以及风机载荷的影响。计算结果表明：相比于湍流风,采用定常风进行浮式风机系泊系统分析将得到偏于危险的结果,同时浮式风机运动响应与风机载荷结果偏小。本文建议在系泊系统初始设计阶段采用定常风方法进行设计,在系泊分析阶段采用湍流风进行分析,以保证浮式风机长期服役安全。     

系泊Spar平台波浪中耦合运动的数值模拟及模型试验

为了研究恶劣环境载荷引起海洋结构物的非线性运动响应,文章基于三维时域格林函数理论,提出了采用时域物面非线性理论方法直接模拟系泊浮体时域耦合分析所需的水动力,建立了系泊浮体波浪中时域耦合运动的数学模型.该方法充分考虑了每时每刻浮体在瞬态波面下湿表面的变化,并计及平均水线面下瞬时空间位置的改变,系统研究了系泊Spar平台波浪中的耦合运动响应及系泊线张力.最后,将数值模拟结果与模型试验结果进行了比较,计算结果令人满意.     

系泊多体海上平台非线性动力特性研究

海上浮式平台通常由多个大型浮体模块柔性连接,组成一个典型的刚柔流耦合的多振子网络系统。本文从网络动力学角度研究多体浮式海上平台,通过龙格库塔法求解海上浮式平台运动微分方程,得到海洋平台运动响应随连接件刚度变化情况。数值结果表明,连接件刚度变化使得多体海上浮式平台表现出丰富的非线性动力特性现象,例如幅值跳跃、分岔、混沌等现象。为进一步揭示非线性浮式平台的集体动力学行为,作出浮块在各响应阶段对应的时域图和相图比较。本文得到的初步研究结果及研究方法,可为大型海上浮体结构初步设计提供理论参考。     

海上浮式风机张力腿平台的水动力响应

以美国某可再生能源所的海上5 MV风机为模型,结合风机塔柱的特点,利用Orca Flex建立了一种海上风机张力腿平台简化模型。通过时域耦合计算方法和傅里叶变换,得到了该系统的动力学响应,对比并分析了在考虑涡激振动和不考虑涡激振动时各个张力腿的动力学变化和平台的水动力响应。     

Spar基础浮式风机系泊系统全耦合分析

以OC3 Hywind Spar基础浮式风机为研究对象,采用先进的空气动力-水动力耦合时域分析方法,对其在中国南海某海域风浪流共同作用下的系泊系统、浮式基础运动以及风机和塔架载荷响应进行分析,对比定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统、整体运动响应以及风机载荷的影响。计算结果表明:相比于湍流风,采用定常风进行浮式风机系泊系统分析将得到偏于危险的结果,并且,浮式风机运动响应与风机载荷结果偏小。因此,建议在系泊系统初始设计阶段采用定常风方法进行设计,在系泊分析阶段采用湍流风进行分析,以保证浮式风机的长期服役安全。     

结构-波浪-海床耦合系统动力有限元分析

基于MSC．Marc软件平台，建立了结构-波浪-海床耦合系统的有限元计算模型，并通过二次开发，成功地将土动力学中广泛用于计算土体在动荷载作用下响应的等效线性算法引入软件中。对模型进行了动力计算，考察了此类结构在动力荷载下的响应。     

基于全时域势流理论的船舶与液舱晃荡耦合运动的数值计算

基于三维线性有航速时域势流理论计算船体时域运动外域波浪力,同时采用三维全非线性时域势流理论来计算舱内液体的非线性晃荡所诱导力与力矩,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程。该方法能够完整地考虑波浪、船体和液舱晃荡之间的实时耦合作用。研究结果表明:通过模型实验和数值模拟计算的对比,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,无航速船体运动RAO与模型实验结果吻合良好,有航速运动计算合乎预期。     

迎浪规则波中高速滑行艇运动响应数值预报与分析

为准确计算滑行艇在波浪中的水动力性能,基于粘性理论,采用随体网格技术、耦合求解运动方程,完成了滑行艇在迎浪规则波中运动响应的数值预报.对滑行艇运动响应结果采用时域和频域方法分析,给出了入射波的周期与滑行艇固有频率对滑行艇运动响应的影响分析结果,对数值计算值与模型试验值进行比较.结果表明,数值计算方法可以准确且高效预报滑行艇在波浪中高速航行时的运动姿态及水动力特性,为滑行艇设计提供指导和参考依据.     

规则波作用下张力腿平台的非线性动力响应

建立了一种考虑多种非线性因素的张力腿平台(TLP)模型,其中包括六自由度有限位移、各自由度之间的耦合、瞬时湿表面、瞬时位置、自由表面效应、粘性力等因素引起的非线性.推导出TLP六自由度非线性运动方程.对典型平台ISSCTLP进行了时域上的数值计算,求得该平台在规则波作用下的六自由度运动响应.用退化到线性范围的解与已有解进行了对比,吻合良好.数值结果表明,综合考虑非线性因素后响应有明显改变.     

在时域中求解非线性船舶运动及波浪载荷的数值计算方法和程序

本文对时域中求解非线性船舶运动及波浪载荷的数值计算方法作了讨论，提出了ＨＡＭＭＩＮＧ法是一种值得推广的、高效的求解高阶常微分议程组的方法，作者以升沉、纵摇耦合运动为例详细推导出运动方程数值解的时间步进公式并已用本方法编制了计算机程序，并完成多条船的实例计算机。