黏土中海上风力机桩-筒复合基础地震响应分析

参考NREL海上风力机结构参数,基于ABAQUS软件平台,建立黏土中海上风力机桩-筒复合基础的三维整体有限元模型;采用总应力形式的非线性运动硬化模型描述黏土的不排水动应力应变响应,通过编制Matlab程序实现随机风荷载及波浪荷载的模拟;开展地震及风、浪、流荷载共同作用下海上风力机桩-筒复合基础的时域整体动力响应分析,揭示桩-筒复合基础的承载机理,分析地震烈度、土体强度及基础尺寸对桩-筒复合基础动力响应的影响规律。     

考虑桩基础柔性的地震风浪作用下海上风力机结构耦合响应机理研究

基于FAST海上风力机整体耦合分析理论和桩基线性化理论,建立包含桩基础柔性的海上风力机基础结构的整体耦合运动方程。进而,通过对FAST v8进行二次开发,同时考虑桩基础柔性,建立包括转子机舱组件-风力机塔筒-基础结构的海上风力机在地震、风、浪荷载作用下的结构耦合仿真模型。根据建立的整体耦合数值仿真模型,开展地震、风、浪荷载联合作用下海上风力机动力响应研究,着重探讨桩基础柔性对于海上风力机结构在地震组合工况下的动力特性及耦合响应机理的影响。结果表明,桩基础柔性对于海上风力机结构动力特性有显著影响。与耦合弹簧边界相比,当忽略桩基础柔性时,会低估整体结构二阶频率对于地震作用下塔顶位移响应的影响,并在基底倾覆力矩响应中激发高阶模态,造成海上风力机结构动力响应变化规律的显著差异。因此,在海上风力机结构抗震设计与研究中必须考虑桩基础柔性的影响。     

大型海上风力机地震冲击角动力学响应分析

为研究海上风力机在不同地震冲击角下的动力学响应,基于p-y曲线法构建土-构耦合模型,基于DTU 10 MW 单桩式近海风力机建立有限元模型,研究地震冲击角变化对大型海上风力机地震动力学响应的影响。结果表明：0°和90°地震冲击角下风力机结构受载荷响应最剧烈;当地震冲击角为锐角时,塔顶前后向和侧向位移幅值均下降,总应变能集聚现象显著缓解;地震冲击角为15°和30°时风力机等效应力均值相对其他角度有明显下降。因此,主动调整风力机叶轮朝向以调整地震冲击角可能成为风力机受地震冲击后降低损害的有效控制方式。     

半潜式波浪能养殖平台与系泊系统的耦合动力分析

以“澎湖号”半潜式波浪能养殖平台为研究对象,开展养殖平台及其系泊系统在浪、流联合作用下水动力性能的研究。基于三维势流理论,应用一阶泰勒展开边界元方法对其频域水动力进行计算,研究不同浪向下平台的运动响应和二阶波浪漂移力。采用间接时域分析方法和异步耦合方法实现平台和系泊系统的时域耦合动力求解,对不同浪流组合工况下平台的时域运动与锚链张力进行分析。研究表明,在南海常规海况中平台稳定性较好,立柱间水动力干扰尤为明显,顺浪时平台所受的二阶波浪漂移力最小。在与系泊系统的耦合作用下,平台的横摇与纵摇运动受入射波浪向的影响较大,入射波波高对顺浪下的平台横摇运动和横浪与斜浪下平台纵摇运动影响明显。     

新型风浪联合发电浮式平台浮筒-立柱-浮子多尺度流场演化与荷载特性

风能波浪能联合发电是实现“海上风电+”融合发展的最新模式,而风浪联合发电结构浮式平台中浮筒、立柱和浮子存在不同尺度的圆柱间干扰效应,对整个结构体系的荷载分布和整体稳定影响不可忽略。提出一种适合中国南海海况的新型风能-波浪能联合发电结构体系,再基于延迟脱体涡模拟方法分析平台内部波浪场演化过程,揭示平台区域水质点能量分布特性以及多浮体干扰机理,最后对比研究浮子对风浪联合发电平台水动力荷载的影响特性。结果表明:浮子的存在影响到两种平台各区域的水体能量变化,最大能量分布区域由波浪传播起始位置区域转变为浮子影响下波浪非线性干扰强烈的区域;浮子顺向波浪力最高达到8.27×10⁵量级,较单浮子增幅22.3%,风浪联合发电平台中间立柱顺向波浪力极值荷载较半潜式平台减幅11.3%,但使得平台立柱所受顺向波浪荷载能量部分往高频转移。研究结论可为此类新型风浪联合发电结构体系水动力荷载设计提供科学依据。     

基于流固耦合偏航下风力机尾迹湍流特征的研究

偏航状态下风力机叶片与流场之间相互作用会导致风力机近尾迹流场的湍流特征变化,采用双向流固耦合对不同偏航工况下水平轴风力机近尾迹流场进行数值模拟研究,获得不同偏航角下尾迹湍流特征演化规律。结果表明：随着偏航角的增大,正偏航侧会出现“速度亏损圆环”,且此圆环的范围呈扩大趋势;偏航角的增大对叶根处速度亏损影响最大,对叶尖处速度亏损影响最小,与正偏航侧相比,负偏航侧的速度亏损值减为约1/2;随着偏航角的增大,正负偏航侧的湍流强度变化呈不对称性,正偏航侧对湍流耗散的影响程度较负偏航侧大;涡流黏度越来越小,且在偏航10°涡流黏度相对于偏航5°减小约1/2,沿着轴向叶尖涡的管状环涡结构变得不稳定,出现明显耗散,且在偏航15°之后涡结构的耗散破裂程度越来越剧烈,进而对风力机气动噪声产生较大影响。     

基于Theodorsen理论的新型动态失速预测模型及其应用

风力机叶片动态失速时的非定常气动特性及严重的迟滞现象使得风力机功率实测值严重偏离其静态预测值。鉴于此,基于Theodorsen理论、基尔霍夫势流理论,在忽略低阶附加质量引起的下洗气流加速度项及状态变量转换后,提出一种包括翼型附着流和后缘动态分离流的新型动态失速模型。利用该模型分析NREL 5 MW海上风力机叶片6种翼型的非定常动态失速特性得出：通过翼型的气流在完全附着流与完全分离流之间不断转换,受附着流脱落尾诱导的动态下洗气流影响及边界层动态分离产生的压力滞后的双重作用,动态升力系数变化曲线和静态升力现象曲线偏差较大,6种翼型动态升力系数变化曲线均呈非常明显的迟滞环现象。DU40、DU35、DU30、DU25、DU21和NACA64这6种翼型动态升力系数增幅明显,分别达17.6%、60.9%、60.7%、55.1%、63.7%和40.8%。动态失速攻角极大地超过静态失速攻角,分别增大到36.53°、21.40°、20.20°、17.68°、16.97°和21.42°。6种翼型动态失速预测结果与公开实验数据结论一致,证实所提出的动态失速气动模型计算结果准确可信,具有较强通用性。     

半潜式平台浮式风力机的动态响应

平台的稳定是保障海上漂浮式风力机能够安全运行的基础。为了保障海上平台的稳定及漂浮式风力机的安全运行,基于Semi-submersible平台的NREL(国家可再生能源实验室)5 MW漂浮式风力机模型,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,调用水动力学软件AQWA(水动力学分析软件),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,得到了F-K力(波浪力)和绕射力对平台6个自由度运动的影响以及各波浪力随波浪频率的变化趋势。结果表明:平台在低频波浪时容易出现较大响应;随着海洋环境恶劣程度的增加,平台的动态响应增大;垂荡方向的时域和频域响应程度均小于纵荡方向。     

地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构减振策略

针对中国部分近海海上风电场位于高烈度地震区而面临地震潜在威胁的问题,提出地震风浪作用下导管架基础海上风力机结构整体耦合分析方法,开发地震荷载计算模块,基于FAST v8建立海上风力机地震整体耦合分析模型。根据整体耦合模型,揭示了地震风浪作用下海上风力机运动响应特性以及机电安全控制策略在减振方面存在的不足。进一步提出机电安全控制-MTMD联合减振控制策略,并探讨叶片顺桨速率对联合控制策略减振效果的影响;同时,以海上风力机结构地震响应为评价指标,对该联合控制策略的有效性进行了验证。     

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。     

不同海况下近海超大型风力机动力学响应及结构损伤分析

以超大型DTU 10 MW单桩式近海风力机为研究对象,通过p-y曲线和非线性弹簧建立桩-土耦合模型,选取Kaimal风谱模型建立湍流风场,基于P-M谱定义不同频率波浪分布,并利用辐射/绕射理论计算波浪载荷,采用有限元方法对不同海况下单桩式风力机进行动力学响应、疲劳及屈曲分析。结果表明：不同海况波浪载荷作用下塔顶位移响应及等效应力峰值远小于风及风浪联合作用,其中风浪联合作用下风力机塔顶位移响应及等效应力略小于风载荷;波浪载荷对风载荷引起的单桩式风力机动力学响应具有一定抑制作用,此外相较于波浪载荷,风载荷为控制载荷;风载荷与风浪联合作用下风力机等效应力峰值位于塔顶与机舱连接处,波浪载荷风力机等效应力峰值位于支撑结构与桩基连接处;仅以风载荷预估风力机塔架疲劳寿命将导致预估不足;随着波浪载荷的增大,风力机失稳风险加大,波浪载荷不可忽略;不同海况下,风浪联合作用局部屈曲区域位于塔架中下端,在风力机抗风浪设计时,应重点关注此处;变桨效应可大幅降低风力机动力学响应、疲劳损伤及发生屈曲的风险。     

破碎波作用下单桩式海上风机水动力学数值分析

  目的  我国南汇、东海、大丰等海上风电场的设计波浪十分接近波浪破碎极限,需要探究浅水水域单桩式海上风机基础受破碎波载荷的动力响应。  方法  利用FAST耦合分析软件,考虑使用波浪拉伸的方式计算波浪力载荷,对单桩式风机在东海海况下的耦合动力响应特性进行分析。  结果  分析结果表明:使用波浪拉伸方式计算破碎波载荷更加接近实际海上风机所受到的载荷,且明显高于不使用拉伸方式计算的破碎波载荷。破碎波更容易激发塔筒的一阶固有频率,风浪联合作用下风机结构动力响应更加显著。  结论  研究成果为我国浅水非线性波浪区域单桩式海上风电的开发提供了一定的参考。     

风波耦合作用下风载荷对两种漂浮式风力机平台动态响应影响

为分析风载荷对漂浮式平台的重要影响,建立了基于单桩式及张力腿平台的漂浮式风力机整机模型,基于叶素-动量理论与辐射/绕射理论,运用水动力软件AQWA并结合有限元方法验证了风载荷及风波耦合的重要性,研究了波浪单独及风波耦合作用下漂浮式平台的时频域动态响应。结果表明：风载荷使平台产生了较大纵荡与垂荡漂移,其产生的倾覆力矩改变了纵摇平衡位置,风载荷使纵荡响应偏离平衡位置较垂荡与纵摇响应明显;对于纵荡响应,风载荷使两平台低频固有频率处的响应峰值增加;对于垂荡响应,风载荷使单桩式平台固有频率处的响应峰值减小,使张力腿平台纵荡-垂荡耦合响应及波浪频率处的响应峰值大幅增加;对于纵摇响应,风载荷使单桩式平台及张力腿平台低频固有频率处的响应峰值大幅增加;风载荷是引起单桩式平台纵荡-垂荡耦合运动的关键因素;波浪载荷是引起张力腿平台纵荡响应幅值较大的关键因素。     

风浪入射角对漂浮式风力机动态响应影响研究

采用开源软件FAST并结合多体动力学方法,以驳船式(ITI Energy Barge)平台5 MW海上漂浮式风力机为研究对象,研究海上漂浮式风力机塔架与平台结构在风浪不同入射角下6个自由度大小与幅值变化,并分析风力机塔架与塔基在风浪入射角度不一致工况下的动态响应;将模拟所得数据在Matlab语言编辑的Mlife程序中运行,进而得到风力机等效疲劳载荷(DEL)。结果表明:平台6个自由度中,纵荡和纵摇随来流风速的变化最为显著;海上风力机的DEL不仅与风浪载荷大小有关,与其方向也有着密切关联;来流风、浪载荷之间的夹角较小时,风力机塔架和塔基的DEL相应较大。研究结果对海上Barge平台结构的设计与安装具有一定的参考价值。     

不同入射角风波流海上漂浮式风力机频域与时域动态特性

采用边界元并结合多体动力学方法分析了张力腿平台(TLP)漂浮式风力机结构,研究了平台结构在不同方向上的频域与时域运动响应变化,并比较了漂浮式平台在海洋环境条件下风波流联合作用时和波浪载荷独立作用时的运动响应,得到了平台结构在时域中的动力响应.研究结果表明:漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP的作用力不能忽略;风波流联合作用时的运动响应标准差大于波浪载荷独立作用时的运动响应标准差,且平台偏离平衡位置的程度更加剧烈;平均运动响应及标准差在入射角分别为0°、22.5°和45°时相差微小.研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值.     

基于ABAQUS的海上风力机动力分析软件平台开发

基于通用有限元程序ABAQUS和风力机开源设计软件FAST,开发海上风力机动力响应分析软件平台ABA-OWT.选用NREL 5 MW海上单桩式风力机标准模型,首先,在ABAQUS中实现风力机结构的自动化建模,并根据风力机的结构特性初步验证模型的正确性;然后,在时域内通过子程序建立风力机结构与FAST子模块(气动、水动和...     

二阶波浪力下超大型半潜浮式风力机动态响应分析

针对DTU(Technical University of Denmark)10 MW风力机,使用FAST软件对典型海况下不同水动力分量作用下的半潜浮式风力机系统进行全耦合分析,包括仅一阶波浪力作用、一阶波浪力和采用Newman近似计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域二次传递函数（quadratic transfer functions,QTFs）计算的二阶差频波浪力作用、一阶波浪力和全域QTFs计算的二阶和频波浪力作用以及一阶波浪力和全域QTFs计算的完整二阶波浪力作用,以对比分析二阶差频、和频波浪力对超大型半潜浮式风力机动态响应的影响;基于风力机结构疲劳计算理论,分析二阶差频和频波浪力对风力机结构疲劳破坏的影响。研究发现：在极端海况下,二阶差频波浪力对平台运动响应,二阶差频及和频波浪力对半潜浮式风力机结构荷载和疲劳破坏均产生显著影响。此外,Newman近似方法明显低估二阶差频波浪力对半潜浮式风力机动态响应的影响。     

载荷优化的海上漂浮式风电机组二阶滑模变桨控制

针对强非线性、强耦合的海上漂浮式风电机组动力学系统,提出一种基于二阶滑模的统一变桨控制策略,解决受海浪风速等随机干扰引起浮式支撑平台运动而产生的疲劳结构载荷及功率波动问题。构建漂浮式风电机组的不确定仿射非线性模型,基于风电机组“额定转速”设计积分滑模面,此“额定转速”不再是恒定值,而是取决于平台纵摇速度的变量,基于超螺旋算法实现二阶滑模变桨控制律。采用FAST和Matlab/Simulink联合仿真,所提出的方案与传统PI控制相比,对稳定高风速时风力发电机功率,抑制浮式支撑平台运动及减少叶根载荷具有更好的控制作用,对塔基也有较好的减载作用。