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。     

基于商用6 MW半潜式风力机的水池模型试验研究

在水池开展浮式风力机的风浪耦合模型试验时,需要保证其平台结构运动响应及气动性能的准确及可靠。近几年的试验大多基于概念风力机和理想海况开展,无法真实反映商用风力机所遇实际外场工况。另外,以往大多试验均在拖曳水池或海洋工程水池中进行,无法完整复现所有必需的真实海况。为研发真实海上浮式风力机,本团队基于一种商用6 MW风力机进行缩尺模型设计,综合多种海况,在荷兰MARIN实验室的两个水池中开展一系列重现真实风力机工况的模型试验。本文介绍了该试验的样机模型参数、试验场所、试验方案、试验布置等,并对固定式风力机在定常风作用下的气动性能、漂浮式风力机在规则波和定常风作用下的气动性能,以及平台运动响应的试验数据进行简要分析。试验发现：在相似工况下,漂浮式风力机叶轮所受推力比固定式风力机大;波浪及气流扰动是影响浮体平台六自由度运动的主要因素。     

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。     

先导式大通径气动电磁阀动态特性仿真分析

从先导式大通径气动电磁阀的工作原理可知主阀复位弹簧刚度、预紧力和先导阀阻尼孔尺寸等结构参数对电磁阀动态特性产生影响。利用AMESim仿真软件建立先导式大通径气动电磁阀的仿真模型,通过仿真对比分析不同结构参数与主阀芯运动速度、位移等运动参数的影响关系,为产品的优化设计提供依据。     

从电力发展 “十三五” 规划看新能源发展

旨在研究半潜式风机与网箱集成系统在风浪流作用下的耦合动力特性。

基于自主设计的SJTU-SPIC半潜型漂浮式风机,提出漂浮式风机和网箱集成系统概念并建立数值仿真模型,采用气动−水动−控制−结构−系泊全耦合分析方法,开展风浪流联合作用下系统耦合动力响应特性研究。

数值仿真结果表明：加装网箱后会引起更大纵荡运动,但会抑制纵摇运动,有利于提升风机发电稳定性;加装网箱后对系泊载荷和发电功率的影响很小。

半潜型漂浮式风机与网箱集成系统的动力学特性与原半潜型漂浮式风机类似,该集成系统是可行的。

     

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。     

分层流中附体对潜航体尾迹频谱特性影响研究

海洋流场密度因温度和盐度的不均匀变化具有垂向分层现象,合成孔径雷达(SAR)检测潜航体在分层流中运动的海表特征呈现较大差异的功率谱特性。基于海洋遥感中的频谱分析方法,利用CFD仿真技术手段,模拟不同潜航体模型在分层流中的运动情况,运用快速傅里叶变化进一步处理二维波高信号,深入探究了潜航体的附体对流场内界面和自由表面的影响。研究表明:基于频谱分析法的尾迹特性研究能有效揭示不同频率成分对界面粗糙度的影响,能够有效定义和区分潜航体附体造成自由表面辐聚辐散效应的差异;在航速、潜深和分层模式等相同时,尾舵对尾流场具有一定的优化效果,指挥台围壳是影响海表尾迹的主要因素。     

稳定分层流数值模拟方法及圆球绕流特征研究

  目的  旨在研究分层流中潜艇加减速对尾迹特征特性的影响规律,为潜艇尾迹隐身提供理论依据。  方法  应用CFD技术,首先验证该技术模拟潜艇运动对自由面兴波的准确性,再基于自由面兴波与其辐聚辐散场、内波速度场进行分析,对实尺度潜艇进行加减速航行模拟。通过对自由面速度场求散度,深入研究潜艇加、减速对自由面及跃层的影响。  结果  研究表明：潜艇进行非定常运动时,尾流场横波、散波分布规律较匀速运动截然不同,其兴波夹角增减约10%~25%,且兴波峰值位置明显前置与后置,结合波高及速度散度场得到潜艇加、减速造成自由表面辐聚辐散效应的差异。  结论  当潜深和分层模式等相同,潜艇减速时,可降低尾流场扰动、兴波高度及其粗糙度,加速状态可显著增加潜艇近场扰动与被探测概率。     

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。     

系泊状态下漂浮式潮流能电站水动力性能试验研究

本文以漂浮式潮流能电站系统为研究对象,针对其在系泊状态下是否搭载水轮机两种形式,对载体模型进行不同波浪参数下的运动特性试验.实验首先对载体在自由状态下的运动特性进行校核,当试验数据与理论计算数据吻合后,对载体在系泊状态下的运动响应特性进行试验研究.研究载体在不同搭载状态和不同波浪参数下的水动力响应,分析该潮流能电站载体在浪、流作用下的运动规律.     

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。     

转弯航行舰船开尔文尾迹散射特征研究北大核心CSCD

[目的]旨在研究转弯航行状态下舰船产生的开尔文尾迹及其电磁散射特征,为舰船非线性尾迹检测和识别提供理论支撑。[方法]基于已有的开尔文尾迹建模方法和坐标变换,根据转弯航行方向,获得转弯航行舰船产生的开尔文尾迹。利用半确定性面元散射模型(SDFSM)对转弯航行舰船产生的弧形开尔文尾迹进行雷达电磁散射特性仿真分析,计算对比海背景下直线航行舰船开尔文尾迹和转弯航行舰船开尔文尾迹在不同船速及航行角度条件下的面元散射系数分布。[结果]转弯航行舰船开尔文尾迹各成分波在几何模型上存在与直行尾迹不同的几何特征,复合直行开尔文尾迹及转弯航行开尔文尾迹不同成分波在垂直接收-垂直发射(VV)极化条件下的面元散射系数分布图中不同区域表现出具有显著差异的散射特征。[结论]开尔文尾迹散射系数分布图的亮暗度和尾迹不同成分波的波矢量方向与雷达视向的相对关系密切相关。研究结果可为舰船信息感知和探测识别以及隐身等应用提供理论依据。     

基于被动式调谐质量阻尼器的风力机结构振动控制

采用结构控制方法抑制海上风电机组的结构载荷是一种经济可行的解决方案。海上风电机组的动态响应通常是在泊机状态下进行的,叶片通常采用集中质量建模。实际上,叶片的几何特性和转速对风力机的性能有很大的影响。这些简化可能导致对风力机动态响应的不准确评估,进而影响控制系统减载效果的评估。由于调谐质量阻尼器(TMD)系统的简单性和有效性,该系统已被广泛用于抑制系统的动力响应。为了探讨安装于机舱中的调谐质量阻尼器对风力机在风浪激励作用下的结构振动控制效果。文章研究了底置式海上风力机在风浪联合激励下的结构响应,并考虑桩-土耦合的相互作用,设计了单TMD系统和多TMD系统,并对不同工况进行仿真分析,研究了单TMD系统和多TMD系统的动力响应和减振效果。结果表明,调谐质量阻尼器能够有效减轻塔底的振动,在泊机工况下振动抑制效果显著。     

OC4浮式风力机基础压载水晃荡特性数值研究

受到波浪影响,浮式风力机会作6自由度运动,浮式基础内压载水会随之晃荡,进而影响风力机的正常运行。基于开源CFD软件OpenFOAM对OC4浮式风力机基础压载水晃荡进行数值模拟并研究其动力特性,基于指定频率和幅值的强迫激励分析激励频率和基础尺寸对压载水晃荡特性的影响,分析自由液面高程变化和晃荡载荷等参数随激励频率变化的规律。结果表明：晃荡力和波高都在风力机固有周期附近达到最大,并随着激励周期与固有周期偏离的增大而减小;不同立柱间的上柱晃荡力差异主要由压载水速度分量的不同引起,而下柱晃荡力差异主要由压载水流通形成的压载水体积变化引起。减小上柱直径,导致液面面积减小,立柱内压载水的速度分量减小,从而影响晃荡力。     

基于SPIV的船舶标称伴流场受装载状态影响的试验研究

论文以某76000 DWT巴拿马散货船的缩比模型为研究对象,应用粒子图像测速(ParticleImage Velocimetry,简称PIV)技术对设计吃水与压载吃水装载状态下船舶的标称伴流场进行了测量,测量结果精细的展现了舭涡、假毂毂帽涡以及"钩状"速度等值线结构,其流场特性与KVLCC,JBC等U型艉肥大型船舶艉流场特性符合。最后,对设计吃水与压载吃水工况下船舶标称伴流场进行了轴向速度分布,速度矢量分布、旋涡强度、涡量以及流线等对比分析。结果表明:桨盘面内流场受船舶装载状态影响较大,外流场区域受装载状况影响较弱。设计吃水状态下螺旋桨盘面舭涡呈现"圆形"而压载吃水状态呈现为"耳形"且设计吃水状态涡量较大。另外,不同装载状态下舭涡与假毂毂帽涡的旋涡中心不同。     

海洋遥感图像舰船尾迹检测研究

针对传统小波变换的不足,提出利用方向小波进行遥感图像舰船尾迹检测算法。在理论分析的基础上,对模拟船舶尾迹进行不同方向的尾迹区分,方向性明显。最后通过传统小波变换和方向小波变换对比的仿真实验验证,本文所采用的算法更加接近真实的尾迹,且尾迹平滑、清晰,能够体现尾迹的纹理和方向。     

漂浮状态下自升式风电安装平台桩腿对接建造技术

现有的自升式平台均在船坞内完成桩腿拼接,但受大桥限高以及码头海域地基承载力不足等影响,自升式海上风电安装平台可能需要在漂浮状态下完成桩腿对接。针对此,开展自升式风电安装平台在浮态下的桩腿对接建造技术研究,给出相应的总体建造方案,在此基础上建立浮态桩腿对接建造工艺,以对后续平台和其他类似的平台建造提供参考。     

2个气泡运动的数值模拟

基于VOF模型,借助FLUENT软件,对初始位置不同、大小不同的2个气泡进行了数值模拟,主要研究气泡在上升过程变形、融合、破裂等现象,分析气泡上升过程中的尾迹流,揭示了水平和竖直2个气泡相互吸引、排斥等现象,分析了2个气泡速度场相互影响。研究表明,气泡间距越小,速度场相互影响越大,气泡越容易相互吸引、融合。     

基于温度动态特性的气垫船位置判定方法

针对船用高温气体温度测试快速响应的要求,研制了高温气体热电偶温度传感器,并对该高温热电偶温度传感器的响应特性进行了测试。利用测试得到了高温气体温度传感器响应特性,基于射流冲击理论和高温热电偶的温度梯度动态特性,提出了装载舱内气垫船位置判定算法。搭建了由气源、加热器、喷口和移动式装载舱组成的试验台架,进行了高温气体条件下的热电偶温度快速响应修正算法的验证以及喷口热气100℃~200℃时不同移动速度条件下装载舱内气垫船位置判定算法验证试验。结果表明,基于射流冲击理论和高温热电偶温度梯度的动态特性判断装载舱气垫船位置的算法具有一定可行性,对装载舱环境监控设计具有一定指导意义。     

自升式钻井平台漂浮压载波浪砰击载荷分析

漂浮压载是自升式平台减小地基穿刺风险的有效手段之一。压载过程中平台受到波浪砰击、绕射或其联合作用，可能产生较大的运动及载荷，进而对升降系统和桩腿产生不利影响。本文通过物理模型试验方法，对某三桩腿自升式平台漂浮压载状态下的砰击压强开展研究。结果表明，在吃水为-1 m和0 m时，砰击作用明显，平台底部压强较大；当吃水为1m时，波压力主要为绕射波浪作用，压强显著减小。平台底部最大压强的分布受波浪周期的影响显著。