带分形孔垂荡板浮式风力机性能的大涡模拟分析

垂荡板作为一种能增加浮式支撑平台附加质量和水动力阻尼的被动装置，能抑制平台的运动响应，提高风力机的效率。论文研究带分形孔的垂荡板对浮式风力机水动力-气动力耦合性能的影响。用两相流求解器naoe-FOAM-SJTU求解系泊状态浮式平台的水动力响应。将非稳态致动线模型嵌入两相流求解器，用来求解受平台运动影响的风力机气动性能。研究结果表明：开孔垂荡板能提升浮式风力机系统的稳定性，减小平台运动响应的幅值，增大风力机气动功率。此外，开分形孔的垂荡板的效果优于开规则孔的垂荡板，它是增强系统稳定性的可行方案。     

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。     

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。     

深水SPAR风机系统全耦合动力响应分析研究

文章采用联合开发的计算程序对深水SPAR风机的浮体、锚泊和风机各子系统进行了水—气动力的全耦合数值分析,研究了深水浮式风机系统的动力响应特点。浮体水动力计算采用基于二阶精度的混合波浪模型(Hybrid Wave Model)的MORISON公式,锚泊系统采用细长杆理论通过非线性有限元方法实现,风机系统的空气动力分析采用基于多体气动弹性理论的FAST模块。以浮体控制方程为主体,通过模块间的载荷与位移传递在每个时间步上迭代求解,形成完全耦合的时域分析方法。通过对NREL的5MW SPAR风机系统在随机海况下的水动力响应分析,验证了该方法的有效性,并分析了浮式风机子系统间的混合动力作用。     

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。     

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。     

海洋浮式风机耦合动力性能的研究技术与进展

海洋浮式风机系统的耦合动力性能复杂,设计海洋浮式风机是一个典型的多学科优化系统工程。总结国内外海洋浮式风机耦合动力性能的研究技术发展现状和成果,从模型发展、数值计算程序开发研究、理论建模研究、模型试验及动力性能分析等方面对海洋浮式风机的发展进行阐述,为今后对其进行更为全面深入的研究奠定基础。     

浮式风机限制性耦合与全耦合数值计算

浮式风机上部风机与下部浮式平台通常是由不同的设计单位设计的，因此在进行浮式平台设计时无法获得上部风机参数，进而无法对浮式风机的水动力性能进行全耦合数值计算分析。为此，以OC3-Spar和OC4-Semi两种浮式风机为研究对象，通过在其不同位置施加不同等效载荷，设计不同的限制性耦合方式。在工作海况下对浮式风机进行限制性耦合计算，实现对浮式风机水动力性能的研究，并将所得结果与全耦合方式的计算结果进行对比。结果表明，在轮毂中心处施加风机等效推力对于单柱式和半潜式浮式风机而言均是最优限制性耦合方式。当采用该方式时，工作海况下2种浮式风机的时域结果均与全耦合计算结果具有较高的吻合度，响应谱频率分布与全耦合结果基本一致，但幅值均相差较大。     

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。     

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。     

塔柱和风机位置对半潜式浮式风机系统动力性能的影响研究

研究塔柱和风机布置位置对半潜式浮式风机系统动力性能的影响。以OC4-deepCwind浮式风机参数为例,将塔柱和风机分别布置在半潜式浮式基础的中心和其三角形浮筒上,建立浮式风机系统动力学模型,计算不同工况下系统的动力响应。结果表明,塔柱和风机由基础中心调到其浮筒上后,浮式基础运动、机舱加速度、叶片气动力及系缆力的平均值变化不大,标准差有显著的增加;特别在极限工况,机舱X向加速度、叶片气动力的标准差增加近1倍,首摇超过5°,1号缆受力的标准差增加约30%。实际设计中,综合考虑浮式风机系统动力性能、安装和运输过程的便利性及结构强度等设计塔柱和风机位置。     

多块多刚体铰接式浮式防波堤消波特性数值模拟

为研究浮式防波堤的消波机理,在方箱型浮式防波堤的基础上,提出一种多刚体耦合式浮式防波堤设计方法,将方型旋转体与防波堤主体通过旋转关节进行耦合,建立多刚体耦合模型。在此基础上,通过改变方型旋转体模型吃水以下的截面形状,设计出U型体和半椭圆型体浮式防波提铰接模型。基于多体耦合运动理论,采用基于有限体积法理论的STARCCM+软件建立浮式防波堤消波数值模型和计算方法,对3种不同铰接构型的多刚体耦合式浮式防波堤水动力性能及消波性能进行数值分析,研究各构型的消波性能。结果表明：多块多刚体浮式防波堤内部多系统耦合运动加剧了对入射波能量的耗散,有较为出色的消波效果,通过对比3种不同构型的铰接式浮式防波堤,得到了多刚体铰接式浮式防波堤消波性能及水动力响应变化规律。研究结果可为浮式防波堤设计及工程化应用提供技术支撑。     

海上风机半潜型浮式基础水动力性能研究

基于三维势流理论,利用AQWA软件对某海上千瓦级垂直轴风机浮式基础及其系泊系统进行了水动力分析,在频域中计算浮式基础在不同浪向规则波中的水动力及其运动响应,在时域中计算风浪流联合作用下,处于锚泊状态的浮式基础在福建近海生存海况下的非线性耦合运动响应,同时对浮式基础的系泊方式进行了安全校核计算,结果表明系泊方式安全有效。本文所得出的结论对于相关工程实践有一定的指导意义。     

考虑水动力耦合的并靠双浮体系泊系统动力特性研究

研究并靠系泊双浮体系统耦合动力响应特性.建立了时域动力学模型.基于三维势流理论和时频转换关系计算浮体水动力,编制动力学求解程序,并验证了动力学模型的正确性.分析了耦合水动力对并靠双浮体运动的影响.计算结果表明,水动力耦合对两船运动影响机理复杂.其中,对横摇影响最为显著,横摇极值最大增量大于25％;横荡、垂荡、纵摇受到的...     

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。     

系泊缆断裂对新型半潜型浮式风力机动力响应特性的影响

以NREL 5 MW海上风力机为研究对象,提出一种新型半潜型浮式风力机。以该风力机为研究对象,考虑系统受到的气动力、水动力和系泊力相互耦合的作用,建立气动-水动-结构-系泊一体化动力学模型。采用悬链线式多点系泊方式,利用基于有限元理论的非线性系泊缆动力方法对系泊系统的静刚度进行分析。考虑风力机正常作业时单根系泊缆因外界异物碰撞而突然断裂的情况,开展时域动力响应分析。计算结果表明：在额定风速和额定海况下,风力机的系缆张力和基础的运动性能良好;当单根系泊缆出现破断情况时,系泊系统满足设计要求;断缆状态对系缆张力和风力机的平动运动响应的影响较大,对风力机的摇摆运动的影响并不显著。     

海上风机半潜型浮式基础结构设计及整体强度分析

综合考虑海洋环境载荷及气动载荷,探讨了半潜型浮式基础结构设计及整体强度分析方法。针对一座安装在120m水深海域的5MW海上风机,参考海洋结构设计的有关规范,设计了由三立柱、斜撑、水平撑等构件组成的浮式基础。应用SESAM软件,建立了风电浮式基础整体有限元模型;根据莫里森公式和势流理论分别计算构件及立柱的水动力载荷,并运用叶素理论计算风机叶片的空气动力载荷;综合施加水动力载荷及叶片气动载荷,计算浮式基础结构的应力分布和变形分布。根据ABS规范,综合考虑构件压应力和弯曲应力,校核了构件的压-弯强度。计算分析结果表明,连接塔柱与立柱斜撑的两端部位应力较大,属于结构的危险部位。     

考虑近岛礁复杂海底地形的浮式平台水动力性能分析

基于可以考虑复杂海底地形对波浪传播变形影响的水波模型和可以考虑波浪与浮式结构物相互作用的RANKINE源法,建立近岛礁浮体水动力性能直接分析耦合模型,给出详细的理论推导及数值求解方法,并编制了相关的计算程序THAFTS-BR。首先以均匀水深下百米级浮式平台为研究对象,通过与THAFTS和AQWA等商业软件的计算结果进行对比分析,初步验证了THAFTS-BR程序的正确性和可靠性。随后基于模型试验和前面建立直接分析耦合模型,对比分析了考虑近岛礁海底地形后该浮式平台的运动及载荷响应特性,给出了一些重要结论,为后续布置于岛礁附近的浮式结构物动响应分析、设计与建造等提供了参考依据。     

半潜型浮式风机运动特征及系泊系统的研究

近年来海上浮式风机的研究备受关注,安全可靠的系泊系统将保证风机在风、浪、流等复杂环境荷载作用下稳定运行,准确合理地描述风机运动将为评估风机发电效率提供支持。以半潜型浮式风机的系泊系统为研究对象,基于经典悬链线理论,采用准静态分析法提出一套系泊系统的设计方法。通过坐标变换,得到风轮真实的俯仰运动用于计算风机的动力效应及评定其发电效率。采用动力法分析了系泊系统锚链的导缆孔位置、预张力大小、锚链间夹角等参数对风机系统发电效率、浮式平台运动性能和系泊锚链张力的影响,得到了浮式平台迎风面俯仰倾角、水平偏移及锚链张力随参数的变化规律,为半潜型浮式风机系泊系统的设计提供了参考。