漂浮式风力机在纵摇运动下的气动性能数值研究

与固定式风力机不同,漂浮式风力机气动性能受六自由度平台运动影响。其中,平台纵摇运动的影响尤为重要。本文基于计算流体力学(CFD)方法,使用IDDES模型和重叠网格技术,研究漂浮式风力机气动性能在纵摇运动影响下的特性。使用实验数据验证数值模型,对漂浮式风力机在纵摇运动影响下的气动响应和周围流场实施数值模拟。结果表明,漂浮式风力机气动响应与平台纵摇运动同周期变化,且叶轮推力、扭矩的幅值以及平均功率随纵摇运动振幅增加而增大,随纵摇运动周期增加而减小。此外,发现漂浮式风力机在纵摇运动中的动态失速和尾涡干扰现象。漂浮式风力机的纵摇运动将对其气动性能产生较大影响,因此应在设计阶段予以考虑。     

真实海况下船舶水弹性响应及砰击载荷的大尺度模型试验研究

现有的船舶波浪载荷模型试验大多是在水池环境中开展的,然而受水池尺度、造波能力、模型航行范围以及尺度效应等方面的影响或限制,水池模型试验并不能完全真实地反映出实船海上航行时的水动力学性能.事实上,真实海浪具有非线性强、随机性强、方向分布广等特征,因此研究船舶在真实海浪短峰波中的水动力学性能对于指导实船设计研发具有重要的指导意义.实际海浪环境中,舰船大尺度模型试验是一种新型试验技术,综合了水池模型试验和实船海试的部分共同优势.本文提出了大尺度模型波浪载荷与砰击载荷试验技术,建立了一套稳定可靠的大尺度模型海上试验测试系统,并提出了恶劣海况下大尺度模型耐波性及波浪载荷试验实施方案,进而基于大尺度模型试验数据分析了船舶在真实恶劣海况下的运动与载荷响应及砰击载荷特性.     

半潜式支持平台恶劣海况下的运动性能试验研究

针对我国自主开发设计的某型深水半潜式支持平台,基于模型试验方法开展恶劣海况下运动性能研究.在完成水平系泊系统和气隙、砰击载荷测试方案设计的基础上,开展试验研究,获得了平台固有周期、阻尼系数、恶劣海况下的运动响应以及气隙、砰击等非线性载荷.结果显示,在恶劣海况下,目标平台运动响应较大,不具备作业条件.平台多处出现气隙负值且发生较为显著的砰击现象,砰击次数及砰击压力均较大.     

半潜式支持平台恶劣海况下运动性能试验研究

半潜式支持平台的研发面临一系列技术难题，尤其是恶劣海洋环境对平台的影响。恶劣环境下，平台会出现严重的非线性载荷特性，严重时会危害平台安全，因此在研发设计阶段，有必要开展半潜式支持平台在恶劣海洋环境下的运动性能研究。针对我国自主开发设计的某型深水半潜式支持平台，基于模型试验方法开展恶劣海况下运动性能研究。在完成水平系泊系统和气隙、砰击载荷测试方案设计的基础上，开展试验研究，获得了平台固有周期、阻尼系数、恶劣海况下的运动响应以及气隙、砰击等非线性载荷。结果显示，在恶劣海况下，目标平台运动响应较大，不具备作业条件。平台多处气隙出现负值且发生较为显著的砰击现象，砰击次数及砰击压力均较大。结果为半潜式支持平台总体设计提供了有效的支撑数据。     

漂浮式风力机非定常气动特性分析

利用约化频率分析漂浮式风力机在不同运行状态下的非定常气动特性及其影响因素。用不同精度的算法计算漂浮式风力机的尾迹场,预测风力机的气动状态,并考察尾迹场自诱导速度对风力机动态特性的影响。结果表明:时间步进自由涡方法具有一定的精确性,算法选择对漂浮式风力机动态特性的影响较小,对尾迹轨迹的几何稳定性的影响较大;相比固定式风力机尾迹场,漂浮式风力机尾迹场具有更强的非均匀性,同时自诱导速度对漂浮式风力机动态特性的影响不可忽略。     

偏航工况对海上浮式风力机输出功率及叶片载荷影响的研究

海上浮式风力机的平台受风、浪、流等环境载荷的影响，经常处于偏航工作状态，对风力机气动载荷及输出功率有显著影响。应用势流理论和叶素动量理论，构建海上浮式风力机气动弹性与水动力耦合模型，对湍流风场和不规则波浪共同作用下，处于偏航状态的风力机的输出功率及叶片载荷等进行分析。研究表明，在额定风速工况下，当偏航30°时，风力机的输出功率平均值比无偏航时下降21.8%，叶根挥舞力矩平均值降低28.58%。在偏航工况时抑制平台纵荡、纵摇运动可提高风力机输出功率。     

多点系泊定位FDPSO船体水动力性能数值模拟和模型试验研究(英文)

由于中国南海海域海况十分恶劣,浮式钻井生产储油轮(FDPSO,Floating,Drilling,Production,Storage and Offloading vessel)定位方式的研究是海洋工程界值得关注的课题。文章采用数值模拟和模型试验的方法对多点系泊FDPSO水动力性能开展研究。数值模拟包括FDPSO船体频域水动力性能计算和船体/锚链时域耦合分析。船体频域水动力性能计算得到了水动力系数,波浪力和运动幅值响应算子;时域耦合数值分析得到了中国南海海域一年一遇海况和百年一遇海况下船体六自由度运动时历。模型试验在上海交通大学海洋工程深水池开展,包括静水衰减试验,白噪声试验和不规则波试验。对数值计算结果和模型试验结果进行了比较,验证了数值结果的准确性,并对多点系泊FDPSO在中国南海海域的水动力性能进行了研究。     

半潜式浮式风机耦合动力响应特性试验研究

漂浮式风机顶部叶片水平平均气动载荷和叶片旋转运动诱发的高频载荷与塔筒结构和锚泊系统相互耦合，构成复杂的非线性系统。系统的耦合动力特性分析是方案总体设计的关键。在水池中开展不同浪向和海况条件下的试验。试验结果表明，在该系统模型的纵摇和横摇间存在显著的低频耦合；1倍和3倍叶片旋转频率分别与波浪频率和塔筒一阶频率接近，极易引起大幅谐振，而2倍频的影响较小。     

基于系统辨识的大尺度模型耐波性试验实船响应外推预报

实际海浪环境中大尺度模型耐波性试验是一种新型试验技术,具有风浪环境真实、模型航行范围开阔和尺度效应小等优点,解决了水池试验和实船试验中存在的一些问题。该试验技术是研究真实海况中船舶响应的有效方法,因此近年来得到了广泛的研究关注。然而该试验技术目前仍存在一些尚未解决的问题,如何将大尺度模型测试数据准确外推换算至实船响应是一项关键技术。为此,本文提出了基于时间序列分析的实船响应外推方法,根据大尺度模型在某海况下的波浪及模型响应测量数据,基于系统辨识求解船舶的非线性时域响应函数,进而外推实船在其他任意输入海况下的运动响应。     

激光雷达控制方法对漂浮式风机载荷的影响

文章使用激光雷达控制方法对IEA15MW漂浮式样机在极端阵风、极端湍流风下的载荷做了详细分析。使用基于Openfast的仿真工具,结合激光雷达前馈控制系统,对EOG和ETM风况下的风力机运动响应做了详细的仿真。仿真的工况重点关注额定风速附近工况,观察到雷达控制降低了极端阵风和极端湍流风下风机的载荷,对于保护机组大部件有一定作用。     

自升式平台运动性能预报研究

以作业水深400ft的自升式平台为研究对象,根据直升机甲板最小气隙要求和桩腿上部导向块强度要求对拖航极限海况进行推算,并预报平台拖航和在水深60m、122m桩腿下放工况时的运动响应.分析中通过规则波模型试验确定平台壳体的粘性效应,调整平台临界阻尼系数使运动响应传递函数(RAO)的计算值与试验值匹配.     

深吃水半潜平台运动响应分析及模型试验分析

针对某深吃水半潜平台在实际海况下的运动响应问题,基于AQWA,对深吃水半潜平台频域和时域下的运动响应进行数值模拟,并开展半潜平台的模型试验,分析6自由度幅值响应算子(RAO)和不规则波下的运动响应。比较由2种方法获得的RAO响应曲线和极限海况下的运动幅值,证明数值方法正确,该深吃水潜平台的运动响应模拟结果满足设计要求。     

荔湾3-1导管架平台运输工况运动响应监测分析

文中完成了对荔湾3-1导管架海洋平台运输工况下的运动响应监测分析,现场监测克服了计算模拟时的物理模型的边界条件假设影响和水池试验的缩尺比的影响,可以得出真实的运动响应相关参数,并且可以随时发现拖航过程中出现的运动情况,及时与拖带拖轮沟通,避免出现运动峰峰值超过上限值的危险工况;并且测量的结果也验证了模型试验和理论计算的结果,为今后大型导管架平台结构拖航的设计和施工提供了技术支持.     

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。     

不同吊载方向下半潜式拆解平台的运动响应

吊重是半潜式拆解平台的重要功能之一,其与风浪流载荷联合作用下的平台运动响应是衡量目标平台性能的关键指标。通过对一半潜式拆解平台进行仿真建模,利用AQWA软件分析其在一定的风浪流海况下的时域运动响应,获得不同吊载方向下平台的运动响应。结果表明:吊重方向对其垂荡无明显影响;逆风浪工况下,吊载方向对船体运动响应自由度有一定的抑制作用,-45°和90°为最佳吊载工况。     

海上火箭热发射过程中发射平台耦合运动响应分析

在海上火箭热发射工况下,以海上发射平台作为主要研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型以及三维势流理论,进行火箭尾流冲击载荷以及风、浪、流联合作用下的平台时域运动响应研究。对比分析了2种海况下海上发射期间发射平台的垂荡、横摇、纵摇以及艏摇4个方向的运动,通过分析计算,海况一比海况二更有利于火箭和海上发射平台的双向安全且应避免发射平台横浪时进行海上热发射。此外,提出了1种海上发射工况下尾流冲击的简易计算方法并得到了单拉瓦尔管燃气尾流冲击的压强时历曲线,为后续发射平台的结构性能以及运动性能研究奠定了理论和工程基础。     

单柱式浮式风力机动力响应数值与试验分析

以200 m作业水深的5 MW OC3单柱式浮式风力机为研究对象,采用FAST程序对其在不同海况下的运动进行全耦合时历数值计算,并与采用1∶50缩尺比模型试验所得时历结果进行对比,通过时域以及频域方法对平台主要自由度运动以及系泊拉力进行分析。研究发现:垂向运动带来的自由面记忆效应较纵向和横向小;悬链线式模型所能提供的系泊拉力较张紧式系泊提供的拉力小;风浪联合作用下,风载荷主要激励低频固有频率运动,波浪载荷则主要激励波频运动;平台纵荡和纵摇运动受系泊系统的影响较大,而垂荡运动则不受系泊系统的影响。     

立柱附体对半潜式平台水动力性能的影响

增加立柱附体是改善半潜式平台性能的常用措施之一。文章为研究立柱纵向增加附体以及改变附体形状对半潜式平台水动力性能的影响,通过数值计算和模型试验,分析了立柱附体对平台运动固有周期和阻尼、平均波浪力、运动RAO以及不规则波作用下运动响应等的影响规律。结果表明:纵向立柱附体可以减小平台纵向平均波浪力以及平台的纵摇运动RAO,可显著改善平台在极端海况下的垂向运动响应;立柱附体的截面形状变化则几乎没有影响。     

一种新型双模块半潜式海工平台的运动和连接器载荷响应研究

本文以一种新型双模块半潜式海工平台为研究对象,建立了相应的水动力计算模型和三维有限元分析模型,基于COMPASS THAFTS软件对该平台的运动和连接器载荷响应进行了数值模拟,并与水池模型试验结果进行了对比分析。结果表明:COMPASS THAFTS软件的数值模拟结果与试验结果吻合良好,共同反映了该平台具有良好的耐波性能;同时可以发现,平台连接器垂向载荷最大,轴向次之,横向最小,其中生存海况下垂向载荷最大值接近200 t,轴向和横向两个方向的载荷一般在几十吨的量级。文中给出的运动和连接器载荷响应规律和量值可以为该新型平台及其连接系统的优化设计和建造提供重要的参考依据。     

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。