风湍流强度对Spar型海上浮式风机极端响应的影响

评估极端环境条件下的动态响应对于海洋结构物的结构设计非常重要。通常所采用的传统完全长期分析法虽然精确却十分耗时,而环境等值线法因其高效性和高准确性被逐步用于分析海洋结构物的极端响应。该方法以环境变量的联合概率密度函数为基础,获取所求重现期所对应的环境等值线,进而基于此等值线预报结构物的长期极端响应。然而在此前该方法的应用中,通常只考虑风速,有义波高与谱峰周期的影响,并未严格考虑风的实际湍流强度的影响。为了接近更真实的风况,本文将湍流强度视为环境变量,用概率方法将其纳入环境等值线法中,并研究湍流强度对Spar型浮式风机极端响应的影响。通过对Spar型浮式风机50年一遇极端响应预报值的对比发现,变化的湍流强度使环境等值线法对风机塔底的力与力矩极端响应预报值变小,平台纵摇角与锚链的力变大。     

Spar型海上浮式风机极端载荷预报

在风机极限强度校核问题中,通常采用传统的直接积分法外推求解构件所受的极端载荷。由于传统算法本身的缺陷,在求解海上风机时所需仿真数量急剧增加,给外推造成了困难。为了减少所需的仿真数据,引入反向一阶可靠度方法求解风机极限载荷。将其二维形式环境等值线法与1维最优化方法二分法结合起来,形成一种新的搜索算法。以某Spar型海上浮式风机为例,对其长期载荷进行求解,获得了叶片根部面外弯矩和塔筒基底首尾弯矩分别在1年和20年重现周期下的极端载荷。为了验证计算的准确性,采用计算量更大的直接积分法获取了这2项载荷的长期分布。发现计算结果与超越概率曲线具有较好的吻合度,由此体现出该方法在求解风机特定极限载荷时,不仅具有计算成本的优势同时也有较高的可靠性,为快速求解风机极限载荷提供了一种参考。     

Spar型海上浮式风机系泊系统的动力学分析

以美国某可再生能源所的海上5MW风机为模型,综合风机塔柱的特点,利用Orca Flex建立了一种Spar型海上风机简化模型。通过对风机平台的不同风速工况环境载荷的计算,实现了对该风机系泊系统的水动力学分析,对比并分析了不同工况下风机锚泊系统系泊张力的变化。结合改变锚链上不同导缆孔的位置和布置形式,为海上风机浮式基础系泊系统的设计及优化提供依据。     

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。     

大型海上浮式结构物系泊缆动力特性分析

本文根据我国国情对在海上的大型浮式结构物的系泊方式进行初步研究,研究了1 000 m水深下的系泊方式及平台和系泊缆动力响应特点。采用Sesam软件是中的Deep-C进行计算,分析对比系缆长度、系缆间夹角变化等工况变化对整体动力响应的影响。     

超大型海上浮式结构物连接器基座强度分析

超大型海上浮式结构物(Very Large Floating Structure, VLFS)是由若干个单模块通过连接器连接而成的海上结构物,连接器是整个结构中最薄弱而又最关键的部分,因此有必要对连接器基座进行静强度分析和极限强度分析。文章采用以包含连接器基座的上箱体为研究对象,选取包含单个连接器基座和两个连接器基座的上箱体局部结构作为模型进行静强度分析,得到了两种模型连接器基座整体Von mises应力不大,但存在基座与连接器连接处、立柱与上箱体底甲板连接处两处明显的高应力区的相关结论。然后,采用非线性有限元准静态法对连接器基座进行极限强度分析,确定结构在危险工况下最先发生破坏的位置,得到基座连接器不同方向的极限承载力。结果表明,连接器基座在各个方向的极限承载力都远大于其载荷预报值,连接器基座具有较大的结构强度储备。文中的研究结果为超大浮体连接器基座的设计和安全可靠性分析提供了相关理论依据。     

海上浮式10 MW级垂直轴风机气动特性

海上浮式垂直轴风机未来在向深远海、大型化、集群化发展的道路上具有广阔的发展前景。文章通过Fluent软件计算出NACA0018和NACA0020共2种翼型的升阻力系数,并对-180°～180°范围内的攻角进行了升阻力系数外推。基于双盘多流管模型和叶素动量理论,分析了叶片的翼型,风轮的高径比、实度,浮台的倾斜程度对垂直轴风机气动性能的影响;确定了10MW级垂直轴风机的初始设计参数。结果表明：翼型是决定风机气动性能的基础,NACA0018翼型具有更优异的气动性能;高径比为1.61,弦长为5.5m的风轮可满足设计需求;浮台倾斜程度增大,风轮功率系数峰值增大、功率峰值降低。     

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。     

南海风浪条件下Spar式浮式风机平台的构型及参数

使用WAMIT软件建立了OC3-Hywind Spar式浮式风机模型,联合FAST软件计算了浮式风机在不同工况下的幅值响应算子;结合为南海海域波浪条件优化后的JONSWAP谱,对浮式风机进行了不同工况下的响应谱分析及最大响应值计算;进一步阐述了浮式平台结构构型参数的变化对整体结构在南海相应工况下的运动影响。     

用路径积分法分析受随机激励的海洋结构物的慢漂极端响应

FPK方程(Fokker Planck Kolmogorov equation)在广义和狭义动力学中具有非常重要的应用,可以表征特定结构物体受到外界激励或者干扰时的响应,而基于路径的积分方法对于解FPK方程非常方便。本文主要针对应用于石油探测等工业领域的人造海洋结构物,结合路径积分法和相应的边界条件,分析其在某一随机激励下的慢漂极端响应。     

极端波浪与海洋结构物的强非线性作用研究综述

鉴于极端波浪的极大破坏力,其与海洋结构物的强非线性作用研究正日益受到重视。为了评估极端波浪可能带来的严重破坏,有必要对极端波浪作用下海洋结构物的波浪爬升与抨击、强非线性波浪力、结构载荷与运动响应等问题开展深入研究。国内外许多学者采用数值计算、模型实验及小波分析等手段对这些问题开展了探索研究,获得了一些有益的研究结论。该文对极端波浪与海洋结构物相互作用的研究现状和现有结论作了综述,可为进一步开展深入研究提供有益参考。     

海上浮式结构物的水动力仿真研究

基于粘性计算流体力学的方法建立三维数值波浪水池,模拟有限振幅波的传播,并计算三维球体在规则波环境下所受的波浪力。采用两相不可压的RANS方程求解非定常不可压缩粘性流体,并采用流体体积函数(VOF)法对自由面进行动态模拟。通过编写用户自定义函数(UDF)设置边界入口速度和波高,实现在波浪水池尾部1~2倍波长区域消波,最终求出有限振幅波的模拟结果以及规则波中三维球体所受的波浪力,该结果与势流理论边界元法得到的结果在趋势上吻合良好。该研究方法为模拟分析其他海洋结构物在波浪中的水动力奠定基础,丰富与扩展了数值波浪水池的应用。     

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.     

新型半潜式浮式风机在不同流速下的动力响应特性研究

本文提出一种适用于50～120 m水深的新型半潜式浮式风机,用频域法研究浮式平台的水动力特性,通过建立风机-塔筒-浮式平台-系泊系统全耦合分析模型,考虑二阶差频波浪力作用,对其开展风、浪、流联合作用下的时域分析,重点分析不同流速条件下新型半潜式浮式风机耦合动力响应特性。分析结果表明：新型半潜式浮式风机结构设计合理,其固有周期能较好地避开波浪能量密集的周期范围,有效避免了共振发生;风浪条件一定的情况下,流速增大将使新型半潜式浮式风机的最大纵荡响应和锚链拉力显著增大,但对纵摇和艏摇响应有一定程度的抑制作用。流速变化对基础垂荡运动和发电功率影响较小。     

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。     

岛礁波浪环境下浮式结构物的动响应预报

中国南海海洋岛礁往往都环绕着宽度数百到数千米、水深很浅的珊瑚礁盘,这些礁盘不仅具有丰富的渔业和旅游资源,而且发挥着消波、护岛的重要作用。为开发海洋资源,可以在岛礁附近布设各种浮体结构物,作为海洋开发、渔业生产、环境旅游等综合保障基地。对于岛礁附近的浮式结构物,其动响应特征必将受到周围复杂的近岛礁海洋环境的影响。文章采用缓坡方程考虑近岛礁波浪环境影响,以半潜式平台为研究对象,开创性地提出了一种工程简化计算方法,用于预报岛礁附近浮式结构物在波浪中的运动与载荷响应,为后续岛礁中型浮体的设计和安全性评估提供了分析手段。     

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。