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.     

15 MW级大型漂浮式风力机运动特性

为了研究不同湍流模型、湍流度及不同风速作用下漂浮式风力机（FOWT）基础的运动特性，以国际能源署（IEA）公开的15MW级大型半潜式浮式风机为研究对象，采用OPENFAST软件对浮式风机进行全耦合时域仿真模拟，对平台的纵荡、纵摇和垂荡运动特性进行研究分析。研究发现：在正常湍流作用下，风速高于额定条件时，平台在压载水主动调节作用下使得纵荡更加稳定，但伴随着风速增大，其对平台纵摇和艏摇的影响越剧烈；在极端湍流作用下，风速低于额定条件时，风机运行效率低，而在高于额定条件时，艏摇运动幅值增大，纵摇和垂荡运动表现得更加稳定。     

半潜浮式风机的动力响应分析

OC4半潜浮式风机综合性能较好，但其浮式基础结构质量和结构复杂性使其建造成本高昂，而WindFloat半潜浮式风机浮式基础具有结构简单、建造成本低和减摇效果好等优点，但是适应水深较小且只适合特定海域。结合OC4和WindFloat半潜浮式风机浮式基础的结构特点，针对200 m水深环境设计OC4-WindFloat半潜浮式风机基础。基于叶素理论、莫里森公式和势流理论，通过有限元软件对OC4-WindFloat半潜浮式风机的固有周期及风浪联合作用下的动态响应进行耦合分析，并与OC4半潜浮式风机结果进行对比研究。结果显示，OC4-WindFloat半潜浮式风机固有周期及动态响应均满足相关规定，且具有比OC4更低的建造成本，相比WindFloat可适用更深的海域。研究结果对于浮式基础型式研究有一定的指导意义。     

海上半潜式浮式风机平台系泊系统对比研究

选取5MW-OC4深水半潜式浮式风机平台为参考模型,利用AQWA软件建立半潜式浮式风机平台模型,在频域范围内计算浮式风机平台运动响应,得到平台幅频响应曲线,以验证数值分析的可靠性。选取3种浮式风机平台系泊系统,对比研究系泊系统改变对浮式风机平台运动响应的影响规律,同时分析极端环境条件下单缆失效对浮式平台运动响应及系泊缆张力的影响。计算结果对浮式风机平台系泊系统的优化设计有一定的参考意义。     

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。     

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。     

浮式抗冰平台设计理念及水动力特性研究

钻探极地地区近海石油和天然气资源对移动式离岸钻井平台的水动力性能、抗冰性能和作业性能有着极大的要求。本文主要介绍了浮式抗冰平台的设计方案,并结合当今最新一款半潜式抗冰平台的设计理念,分别从频域和时域分析的角度与传统的半潜式平台作对比,分析得出其具有优越的水动力性能,垂荡、横摇、纵摇运动响应都优于传统的半潜平台,为下一步抗冰性能分析及其关键技术的研究做基础,同时也给半潜式平台带来新的设计理念,为浮式抗冰平台的设计建造提供合理思路。     

半潜式浮基风电平台设计及波浪动力响应分析

为了开发深海风能资源,研究浮基风电平台在波浪中的响应特性,设计了一种半潜式浮基风电平台。应用ADINA软件,采用边界造波方法、ALE动网格方法以及网格变疏增大数值黏性的消波方法构建了数值波浪水池,对ITTC半潜式平台在规则波作用下动力响应进行了数值模拟,通过与该平台的模型试验数据进行比较,验证了数值模拟方法的准确性。而后对一种新型的浮基风电平台在波浪中的运动进行了数值研究,给出了风电浮基平台在不同水深、不同波高波浪周期情况下横摇、纵摇时程曲线。数值计算结果将有助于了解浮基风电平台塔架顶端的运动、位移和受力,为海上风机系统的设计提供合理的荷载参数。     

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。     

风浪联合作用下海上TLP浮式风机动态响应分析

为分析风浪联合作用下海上TLP浮式风机动态特性,采用叶素动量理论,建立了考虑平台运动的风荷载计算程序,并用FAST进行验证。通过AQWA二次开发实时调用耦合平台运动的风荷载计算程序进行海上TLP浮式风机全耦合动态响应分析,研究了风、浪作用下TLP浮式风机平台及张力筋腱响应特性。结果表明,平台运动致使风荷载波动幅度增大,风荷载幅值在波频处出现峰值,分析中需考虑平台运动与风速之间的耦合效应;正常工况下风荷载使得TLP浮式风机运动响应幅值在低频处的数量级明显增大,整体分析中需详细计算风荷载的影响。     

适于深水作业的新型海洋石油平台

本文介绍了一种新概念浮式结构物——浮式塔(FT)。浮式塔的基本设计模型是一具有软张力腿的浮式结构物。本文分析了环境条件对于浮式塔动力响应的影响，并将浮式塔、柱型平台和半潜式平台进行了比较。研究结果表明，浮式塔的耐波性能非常良好，在任何情况下其最大垂荡、纵荡和纵摇幅度都明显小于柱型平台，特别适于在深水中进行生产、储存和卸载。     

复杂地形条件下浮式栈桥运动响应的频域分析

为了研究复杂地形条件下浮式栈桥的运动响应,并探讨波浪圆频率及浪向角等因素对浮式栈桥运动响应的影响。论文利用势流理论及波浪绕射/辐射理论对浮式栈桥所处流场的速度势进行了分析,并对复杂海底地形条件下浮式栈桥的运动特性进行了水池试验和数值模拟研究。基于水动力计算软件AQWA,将复杂海底地形作为一个潜体置于海底,进而考虑其与上部浮体及波浪的水动力干扰,从而建立了海底地形-浮式栈桥-波浪水动力耦合计算模型,模拟计算了浮式栈桥在复杂地形条件下的运动响应,并通过水池试验对数值计算结果进行了验证。结果表明,耦合计算模型能够较为准确地预报复杂地形条件下浮式栈桥的运动响应;复杂海底地形条件下浮式栈桥各桥节的运动响应有较显著的差异,且桥节RAOs随浪向角的变化曲线与平坦海底地形条件下的RAOs曲线有一定差异;浅水环境下海底地形对浮式栈桥运动响应和波浪传播特性的影响不能忽视。     

海上风力发电平台概念设计及系泊系统特性研究

为实现海上风力发电平台工作状态的准确预报,本文采用有限元软件建立浮式风力发电平台三维模型,完全时域耦合分析在不规则波作用下,浮式风力发电平台动力响应特性.通过时域结果对比分析可知,在风浪流同向作用下,浮式风力发电平台的运动响应幅值及系泊缆索顶端张力最大.通过运动响应时间历程曲线可知,横荡运动和横摇运动表现为低频特性,垂荡运动表现为波频特性,以上研究成果可为浮式风力发电机的优化设计提供一定的指导,并可为将来的相关试验提供一定参考.     

海上风力发电平台概念设计及系泊系统特性研究

为实现海上风力发电平台工作状态的准确预报,本文采用有限元软件建立浮式风力发电平台三维模型,完全时域耦合分析在不规则波作用下,浮式风力发电平台动力响应特性。通过时域结果对比分析可知,在风浪流同向作用下,浮式风力发电平台的运动响应幅值及系泊缆索顶端张力最大。通过运动响应时间历程曲线可知,横荡运动和横摇运动表现为低频特性,垂荡运动表现为波频特性,以上研究成果可为浮式风力发电机的优化设计提供一定的指导,并可为将来的相关试验提供一定参考。     

浮式风机系统的气动-水动-锚泊系统耦合数值分析

基于非稳态致动线模型求解三维N-S方程的方法,对OC3项目Hywindspar基础的浮式风机进行其气动-水动-锚泊系统的耦合动力数值分析.计算分析分为两个部分:将上部风轮受到的气动推力简化为定常力(力矩),作用于平台;风机叶片简化为致动线模型耦合到CFD求解器naoe-FOAM-SJTU中,进行浮式风机系统的耦合动力分析.最后,对比分析两种情况下浮式风机系统的气动以及水动力响应.分析结果显示:相对于简化力模型,基于致动线方法的耦合分析模型可以有效且准确模拟分析浮式风机系统的气动-水动力性能.     

框架型半潜式消浪结构消浪特性研究

为对框架型半潜式消浪结构的消浪特性进行研究,采用边界元方法对比分析了在规则波作用下,半潜式消浪结构和不同类型浮式消浪结构周围浮体运动响应RAO变化及堤后波浪场云图变化情况。结果表明,波浪的入射角度、相对吃水深度对浮式消浪结构的消波效果具有很大的影响;框架式半潜式消浪结构在相同条件下的透射系数明显低于其他三种常见的浮式防波堤结构;对多体半潜式消浪结构稳定性影响最大的为浮体的横摇方向。研究表明,相同工况下框架型半潜式消浪结构的透波度更低,能更好的发挥结构的消波效果。     

半潜式钻井支持平台在不规则波中的时域耦合分析

基于三维势流理论和莫里森方程,运用水动力软件AQWA,计算半潜式钻井支持平台的水动力特性。同时运用时域耦合方法,计算了风、浪、流共同作用下,半潜式钻井支持平台在三种工况(迎浪、斜浪和横浪)下的运动响应及系泊系统动力响应。时域耦合分析结果验证了该钻井支持平台满足规范要求。     

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。