风波联合作用下10 MW漂浮式风力机Triple Spar平台动态响应研究

以DTU 10 MW风力机为研究对象,基于Triple Spar平台建立漂浮式风力机整机模型,运用水动力学软件AQWA,通过辐射/绕射理论并结合有限元方法,实现风波联合作用下漂浮式风力机动态响应的求解,并分析其时频响应特性。结果表明:频域分析中,平台纵荡、垂荡和纵摇一阶波浪激振力及其峰值频率和RAO幅频特性曲线趋势及其峰值频率基本不受波浪入射角度改变影响;时域分析中,波浪载荷主要影响平台纵荡、垂荡及纵摇波频处的运动响应,风载荷则加剧了平台低频处的运动响应,引起了平台纵荡-垂荡耦合运动、纵荡-纵摇耦合运动以及和差频运动。     

浮式风机平台风浪流载荷动态响应研究

为探究漂浮式风力机平台的动态响应,建立基于ITI Energy Barge平台的NREL 5MW漂浮式风力机模型。通过辐射衍射理论并结合有限元方法,考虑风、浪、流环境载荷的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到了波激力和漂移力随波浪频率的变化及平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的动态响应。结果表明:平台在低频波浪时容易出现较大响应;波激力在数量级上远大于漂移力,且各自由度波浪力在低频波浪部分响应较大;极端海况下,驳船式平台在纵荡、垂荡和纵摇方向响应非常剧烈。     

浮式风力机平台动态响应优化研究

为探究漂浮式风力机平台的动态响应及其优化措施,建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW漂浮式风力机模型,并对平台分别附加垂荡板和螺旋侧板。通过辐射/衍射理论并结合有限元方法,考虑风、浪、流载荷的联合作用,对平台的动态响应进行数值模拟分析,得到各波浪力随波浪频率的变化及平台在纵荡、垂荡和纵摇方向上的动态响应。结果表明:附加螺旋侧板可明显降低平台所受一阶波浪力,附加垂荡板效果不明显;附加垂荡板和螺旋侧板可明显抑制平台在垂荡、纵摇方向的运动,对纵荡方向响应抑制效果不明显;平台所受二阶波浪力数值远小于一阶波浪力。     

风浪异向下漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究风浪异向下海上漂浮式风电场平台运动响应,建立基于ITI Energy Barge平台的漂浮式风力机及共用系泊的二阶阵列漂浮式风电场模型,运用水动力学软件AQWA与风力机仿真软件OpenFAST分别对水动与气动载荷进行计算,分析了风浪异向下二阶阵列漂浮式风电场Barge平台时频响应特性。结果表明：频域内,Barge平台响应主要集中在低频区域,波浪方向对纵摇和纵荡响应影响较大,对垂荡响应影响较小;时域内,纵摇和艏摇自由度背风侧平台响应幅值明显大于迎风侧平台;风电场各平台在横荡、横摇上的响应幅度随波浪入射角度的增大而增大,纵荡和垂荡自由度则几乎不受影响。     

多工况下漂浮式风力机张力腿平台时域响应及系泊强度分析

为研究漂浮式风力机张力腿平台在风、浪、海流载荷联合作用下的时域响应及系泊受力特征,建立漂浮式风力机及张力腿平台模型,采用有限元方法,对比分析无风、额定、最大及极限工况下张力腿平台运动响应及系泊受力。4种工况作用下,极限停机工况时漂浮式平台运动响应最大,最大作业工况其次,额定作业工况再次,无风作业工况最小;但在最大工况时系泊作用力最大。结果表明:运动响应主要集中在纵荡,垂荡和纵摇方向;作业工况越恶劣,漂浮式平台运动响应越大;系泊张力在最大作业工况时最大,但小于系泊断裂极限。     

浮式风力机多平台阵列的动态响应

为研究浮式风力机多平台阵列的动态响应特性,建立了基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL 5 MW浮式风力机整机模型,根据辐射/绕射理论方法分别研究并比较了单平台、1×5线性排布和3×3方阵排布的多平台动态响应特性.结果表明:浮式风力机Spar平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的响应均集中在低频波浪阶段;1×5线性排布的多平台纵荡位移响应均低于单平台,共用系泊系统有效抑制了平台的纵荡位移响应,但是对垂荡位移、纵摇偏转角响应影响不大;3×3方阵排布位于两侧的平台存在较大的横荡位移响应,但纵荡位移响应均小于单平台,位于中间位置的平台纵荡位移响应大于单平台,但横荡位移响应几乎可以忽略不计;3×3方阵排布中心位置和顶点处的平台垂荡位移、纵摇偏转角响应小于单平台,其余平台垂荡位移、纵摇偏转角响应没有受到明显抑制.     

波浪条件对潮流能水轮机及载体平台的影响

为研究波浪条件对漂浮式水平轴潮流能水轮机发电装置的载体平台与水轮机之间水动力性能的影响,应用计算流体力学(CFD)方法,利用STAR-CCM+软件的DFBI运动模块,设置多种波浪条件,计算载体平台和水平轴水轮机耦合作用,分析得出不同波浪条件对系统运动响应的影响规律。研究表明,波幅和波长对载体平台和水轮机的纵摇、纵荡、垂荡均有显著影响,且纵摇、纵荡、垂荡随波幅的增大而增大;波长1.5倍载体总长时平台纵摇幅度最大,此波长也是纵摇共振波长和同步垂荡波长。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

基于正交化的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究混合式平台漂浮式风电场平台动态响应,分别建立基于Spar和Barge平台的漂浮式风力机整机模型,采用链接悬链线和固定悬链线将其链接以建立2×2阵列漂浮式风电场。采用叶素动量理论计算风载荷,通过辐射/绕射理论求解波浪载荷,采用水动力学软件AQWA研究风波载荷作用下漂浮式风电场平台的动态响应。针对Spar和Barge平台尺度大小不同导致系泊系统不对称引起的Spar平台横摇和艏摇响应较大问题,提出"依照尺度最大平台正交布置链接悬链线"的漂浮式风电场系泊系统布置准则。为验证所提出的系泊系统布置准则的可行性,对比研究系泊系统正交化前后漂浮式风电场平台的动态响应。结果表明,在极限海况下,系泊系统的正交化布置可减小Spar平台横荡响应,但一定程度会增加纵荡响应;而系泊系统正交化与否对漂浮式风电场平台垂荡、纵摇响应和机舱加速度影响较小。此外,正交化布置的系泊系统可显著减小Spar平台横摇和艏摇响应、Barge平台艏摇响应,而Barge平台横摇响应几乎不受影响。     

组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台影响的研究

研究新型组合弹性系泊对漂浮式风力机Spar平台动态响应及系泊张力特性的影响。建立基于OC3-Hywind Spar Buoy平台的NREL5 MW漂浮式风力机整机模型,综合考虑叶片空气动力载荷、平台的水动力载荷及平台与系泊系统的耦合。首先验证水动力学模型的可靠性,然后分析组合弹性系泊对动态响应及系泊张力的影响。结果表明:组合弹性系泊会使平台纵荡增大25.5%,但系泊张力、垂荡和纵摇却会分别减小14.0%、20%和18.1%;弹性索位置对动态响应及系泊张力影响不大;随弹性索长度的增加,平台纵荡响应增加34.0%,平台垂荡和系泊张力分别减小25.0%和7.3%。     

风波耦合作用下悬链线系泊参数对不同漂浮式风力机平台动态响应的影响

通过Fortran语言编程进行AQWA二次开发,实现漂浮式风力机气动-水动-系泊耦合动力学模型算法求解。考虑风波耦合作用,研究了悬链线系泊系统不同参数对3种漂浮式风力机平台运动响应及漂浮式风力机系统各参数的影响。结果表明:系统参数对漂浮式风力机Spar平台纵荡位移最大值、垂荡位移最大值影响较大,而对纵摇角度最大值和机舱加速度最大值均影响较小,且导缆孔不同位置的张力最大值变化不同,故合适的导缆孔位置能够有效增强平台稳定性;系泊系统采用较大直径的悬链线可提高漂浮式风力机Barge平台稳定性;系泊长度、导缆孔位置及系泊直径对漂浮式风力机Semi平台纵荡位移最大值、系泊张力最大值影响较大,而对垂荡位移最大值、纵摇角度最大值及机舱加速度最大值均影响较小。     

极限海况下Spar平台漂浮式风电场平台动态响应研究

平台稳定性是漂浮式风力机安全运行的基础。以漂浮式风力机Spar平台为研究对象,借鉴"铁索连舟"增强船舶稳定性的思想,建立了共用系泊系统基于Spar平台漂浮式风电场。运用水动力学软件AQWA,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,研究了极限海况下风、浪及流载荷联合作用下多平台的动态响应特性。结果表明:频域分析中,Spar平台在纵荡方向上的幅值响应算子随频率增加逐渐减小,最后趋向于零;在垂荡和纵摇方向上,幅值响应算子随频率增加先增加后减小,最后趋向于零,且峰值频率在低频区域。时域分析中,较之于单平台,漂浮式风电场平台在纵荡、横荡方向上的位移均得到了一定程度的减小,横摇及艏摇运动响应亦得到了抑制。增大系泊链接点半径的方法对于抑制漂浮式风电场平台艏摇响应效果明显。     

海上漂浮式风力机张力腿平台强度振动研究

采用有限元方法,基于Block Lanczos算法和VonMises失效理论,考虑平台结构阻尼和惯性载荷,利用ANSYS有限元软件和开源程序软件FAST分别研究了平台安装角度对张力腿平台(Tension Leg Platform,TLP)结构应力的影响和振动响应。结果表明:在极端海况下,张力腿平台海上漂浮式风力机受到的载荷及其运动响应主要集中在平台的纵荡、垂荡和纵摇方向,平台在重心初始位置做往复运动;波浪运动和平台耦合运动响应均不会引起平台发生共振作用;当风、波、流以相同入射角作用在风力机系统时,张力腿平台结构等效应力和最大切应力都随入射角的增大而增大;当风和波浪以0°入射角,海流以180°入射角作用时,平台的最大等效应力和最大切应力最小;张力腿平台安装角对平台应力有很大影响。     

新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。     

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。     

漂浮式风力机Spar平台摇荡运动混沌特征分析

漂浮式风力机Spar平台在非规则环境载荷作用下运动具有很强的随机性和非线性。为分析平台动态响应中的非线性动力学特征,首先建立基于OC3Spar平台的NREL 5 MW风力机整机模型,采用水动力软件AQWA求解Spar平台的运动特性,进一步采用功率谱法、相空间重构以及最大Lyapunov指数法定性、定量两方面判断Spar平台在波、浪、流载荷作用下摇荡运动时间序列的混沌特征。研究表明:Spar平台在低频时运动幅值较大;平台在多重载荷作用下在平衡位置处摇荡运动;平台在纵荡、垂荡及纵摇方向上的运动时间序列具有混沌特征,且3个方向短期可预测时间最大为6.14 s。混沌理论可作为漂浮式风力机平台非线性运动分析的一种新方法。     

风波作用下新型铰接式平台动态响应研究

风波作用下,漂浮式风力机平台的浮动特性会直接影响上部风力机正常运行。为提高平台稳定性,设计一种新型铰接式平台。基于辐射/绕射与有限元方法,结合叶素动量理论,对比分析了风波作用下新平台与立柱式(Spar)平台时频响应特性。结果表明：在纵荡、垂荡及纵摇自由度上,新平台幅值响应算子随波浪频率增大变化趋势与Spar平台基本一致,但峰值明显减小;新平台附加质量较原平台增大,且垂荡自由度上附加质量增加最明显;时域分析中,新平台3个自由度响应幅值较原平台分别减小约83.9%,61.9%及75.5%,标准差减小约76.4%,60%及77.1%,表现出良好的稳定性;功率谱分析中,新平台响应峰值始终小于原平台,且无响应集中现象,波频性能更优。     

新型垂荡板对漂浮式风力机半潜式平台垂荡运动的抑制效果研究

设计出一种能有效抑制垂荡运动的新型装配有垂荡板的漂浮式风力机半潜式平台,分析其在风、浪、流载荷联合作用下的动态响应,并与3浮体3立柱结构半潜式平台进行比较。结果表明:在频域分析中,垂荡板对垂荡方向运动响应的抑制效果最好,纵摇方向次之,对横荡方向运动响应无明显抑制效果;在横荡、纵摇和垂荡方向上原平台与垂荡板平台的辐射阻尼均较接近,但与原平台相比,垂荡板平台的附加质量较大。在时域分析中,与原平台相比,垂荡板平台在横荡、纵摇和垂荡方向的运动响应均较小,其中垂荡方向运动响应抑制效果最好,纵摇方向次之,横荡方向抑制效果最差。     

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。     

不同风况下半潜漂浮式风力机动力学响应分析

针对现有漂浮式风力机在风浪作用下运动响应较大的问题，提出一种具有圆台形浮筒的新型半潜式平台。基于FAST耦合水动力、空气动力和系泊系统等物理场，同时结合水动力学软件AQWA计算的频域参数对不同风况下漂浮式风力机动力学响应进行分析，并在额定风况下与OC4-DeepCwind漂浮式风力机进行对比。分析结果表明：不同风速对漂浮式风力机的纵荡、纵摇及艏摇运动影响明显，对垂荡运动影响较小；与OC4漂浮式风力机相比，新型漂浮式风力机在各风况下纵摇、横摇响应得到明显降低，具有良好的稳定性。