螺旋侧板对漂浮式风力机动态响应的影响研究

为研究螺旋侧板对漂浮式风力机动态响应的影响,建立基于Spar平台的5 MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到风力机平台在风浪流载荷联合作用下的时域和频域特性,通过与不附加螺旋侧板情况下的动态特性参数对比,探讨螺旋侧板能否对结构的运动性起到提升作用。结果表明:附加螺旋侧板后,结构的垂荡和纵摇的运动幅值和所受波浪力均得到显著抑制;与纵荡和纵摇相比,垂荡运动的幅值和所受波浪力均受到较大影响;螺旋侧板对缆索张力无明显抑制作用。     

大型风力机多体动力学仿真下结构动态响应

为探究风力机湍流风况下结构动态响应,建立运行于以轮毂高度为参考点的全域风场中的风力机整机模型,以拉格朗日算法进行多体动力学仿真,分析叶片和塔架结构动态响应。风况模拟采用Kaimal风谱,包括不同风速以及稳态和湍流多种情况。结果表明:叶尖位移和叶根力矩挥舞方向大于摆振方向;叶尖位移集中于风轮转动频率附近;塔顶位移仅为塔架高度的0.15%~0.30%。     

海上风力机与船舶碰撞的动力响应及防碰装置

为确保海上风力机支撑结构的安全,设计了4种型式的防护装置。建立了有防护装置的3 MW风力机与船舶碰撞的模型,通过LS-DYNA模拟船舶以不同速度撞击风力机塔架,研究了碰撞过程中有防护装置塔架的动力响应特性,并将其与常规塔架进行对比。结果表明：无防护的塔架变形较大且迅速超过材料屈服极限;在1 m/s、2 m/s、3 m/s速度下,A型防护装置的结构变形能分别是无防护装置的22.13%、23.80%和42.58%,最大接触力是无防护装置的54.38%、54.95%、63.92%;组合型防护装置对风力机响应的抑制效果更好。     

螺旋侧板厚度对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响

Spar平台因其特殊的深吃水立柱式结构,在来流影响下极易发生涡激运动。为探究不同厚度螺旋侧板对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响,基于CFD方法,针对不同厚度螺旋侧板,对平台进行了数值模拟并详细分析平台的升阻力系数、压力场及涡量场等流场参数。结果表明:螺旋侧板可有效抑制涡激载荷,且随厚度增加,升力系数幅值先增加后减小,阻力系数逐步减小;在研究范围内,螺旋侧板厚度为0.10 D时,升力系数幅值最小,阻力系数与原型平台在同一范围内,对涡激载荷的抑制效果最好。     

建筑增强型垂直轴风力机气动特性数值研究

为捕获建筑环境中蕴藏丰富的高品质风能,结合高耸建筑的高度优势与建筑扩散体强化风速效应,将垂直轴风力机放置于不同建筑扩散体之间,通过数值模拟的方法研究建筑增强型垂直轴风力机在具有不同实度与不同翼型时的气动特性.结果表明:建筑扩散体可大幅提升风力机获能效率,建筑增强型垂直轴风力机较原始垂直轴风力机最大风能利用系数提升4.47倍,其最佳尖速比位置向右偏移,但其载荷波动较剧烈,且对建筑外廓敏感,其中圆弧形截面建筑可有效减小建筑分离涡造成的影响.随着实度的增加,建筑增强型垂直轴风力机风能利用系数先增大后因叶片间干扰而减小,其载荷波动和自启动性在多叶片时得到明显改善.对于不同系列的翼型,FXLV152翼型有助于减小疲劳累积损伤,最大厚度较大的NACA0021翼型有利于提高风力机的获能效率,S809非对称翼型则不适用于建筑增强型垂直轴风力机.数值结果为建筑增强型垂直轴风力机的工程应用提供部分参考依据.     

海上浮式风力机变桨距控制研究

借鉴陆上风力机基于状态空间法的干扰自适应控制,在状态空间中考虑海上浮式风力机支撑平台运动自由度,采用状态观测器评估系统各状态量,研究不同干扰自适应变桨距控制对海上浮式风力机控制性能的影响,并与FAST基础控制对比分析。结果表明:海上浮式风力机变桨距控制设计应基于状态空间法的干扰自适应控制,同时在状态空间中应考虑平台纵荡、纵摇及艏摇自由度。     

单桩柱式海上风力机与船舶碰撞的动力响应特性分析

研究单桩柱式海上风力机受船舶碰撞后的动力响应特性,建立基于国内某单桩柱式的3 MW风力机整机模型,运用显式动力学理论并结合非线性有限元方法,通过有限元分析软件LS-DYNA模拟不同质量的船舶以不同速度撞击风力机的碰撞过程。结果表明:在保证碰撞船舶质量(速度)不变的情况下,碰撞持续的时间随着船舶速度(质量)的增加而增加;碰撞结束后,质量一定的船舶回弹动能与初始动能之比随着初始动能的增加而减少;在初始动能较小时,最大接触力与船舶质量和速度都具有显著的线性关系,初始动能相同时,碰撞的最大接触力也基本相同。     

漂浮式风力机半潜式平台摇荡运动混沌特征分析

针对漂浮式风力机半潜式平台在复杂海洋环境下的摇荡运动所表现出的复杂非线性特征,建立半潜式平台的NREL 5 MW漂浮式风力机模型,基于辐射/绕射理论并结合有限元方法得到了平台摇荡运动时间序列数据。基于混沌理论,应用功率谱分析、相空间重构及最大Lyapunov指数3种方法从定性和定量的角度,对摇荡运动时间序列数据进行了混沌特征分析。结果表明:平台摇荡运动时间序列数据具有明显的混沌特征,其最大Lyapunov指数不同(在0.05~0.09之间小幅变化);平台摇荡运动时间序列数据具有短期可预测性,且其最大可预测时间不同,最大可预测时间均不超过17 s。     

基于多岛遗传算法的漂浮式风力机TMD参数优化

以ITI Barge型漂浮式风力机平台为研究对象,对风力机机舱配置的调谐质量阻尼器(TMD)各参数采用全局多目标优化算法-多岛遗传算法进行优化设计。按最优解重新设置TMD参数,并与漂浮式风力机无控制及传统参数TMD控制的效果进行了对比分析。结果表明:漂浮式风力机塔顶左右位移及平台横摇随TMD质量增加均呈现出先减小后增大的趋势,阻尼变化对其具有一定影响,刚度变化对其影响较小;优化后TMD漂浮式风力机横摇标准差分别是无控制和传统TMD控制的37%和63%,塔顶左右位移标准差也减小,分别是无控制和传统TMD控制的42%和67%。     

垂荡板对浮式风力机平台动态响应的影响

建立了基于Classic Spar和Cell Spar平台的浮式风力机整机模型,研究2种平台在风波流载荷下的动态响应特性,以及垂荡板及其参数对Cell Spar平台动态响应的影响。结果表明:与Classic Spar平台相比,Cell Spar平台各自由度频域幅值响应算子均显著减小,且峰值对应的频率增大;在相同的当量直径下,附加圆形垂荡板时Cell Spar平台各自由度动态响应最小;随着垂荡板厚度的增大,Cell Spar平台各自由度动态响应均先减小后逐渐平稳;随着垂荡板数目的增加,Cell Spar平台纵荡和纵摇响应逐渐增大,垂荡响应逐渐减小;改变垂荡板透空率对Cell Spar平台纵荡无明显影响,但对垂荡及纵摇影响极大。