浮式风机在风浪联合作用下的动力响应分析

为了研究浮式风机在风浪联合作用下的动力响应问题,本文基于三维线性频域势流理论和脉冲响应函数方法计算时域波浪力,利用准静定系泊模型来模拟系泊力,通过叶素动量理论来计算风力,采用计算流体力学方法得到粘性阻尼系数,建立了风机在风浪联合作用下的时域运动方程。结果表明:在规则波与不规则波单独作用下的纵荡、垂荡响应与试验值相吻合,系缆张力响应则偏小于试验值;在不规则波与风联合作用下,所得的纵荡、垂荡响应在波频范围内与不规则波单独作用下的结果相差不大,而系缆张力响应则同样偏小于试验值。     

半潜型风电浮式基础运动特性试验研究

针对5 MW海上风机半潜型浮式基础的运动特性进行模型试验研究,考虑系泊线、塔柱及叶片,采用1∶50的比例制作浮式基础在内的风机系统模型,设计加工了人工风场产生风载荷。通过无接触式光学六自由度三维运动测量仪测量模型在风浪联合作用下的运动响应,测试不同海况、不同风速下的风机系统运动响应,得到了风机系统的固有运动特性,幅频响应特性,以及定常风对浮式风机纵荡、垂荡、纵摇的影响规律。通过实验结果,评估了风机浮式基础在不同海况下的发电作业和生存能力。     

深海工作船系泊系统运动响应分析

针对深海复杂恶劣的环境条件,根据三维势流理论和凝集质量法,建立了深海养殖辅助工作船及其系泊系统的数值模型,研究了风浪流的共同作用下深海工作船系泊运动响应。首先通过频域分析,得到工作船在单位规则波下的幅值响应算子RAO等水动力参数;再将船体频域结果导入到时域分析中,模拟得到在风浪流的联合作用下深海工作船系泊系统的运动响应。结果表明：工作船在工作海况中可保持良好的状态,极限海况下横摇和纵摇运动超出规定范围,易发生险情;与风浪流方向均为180°相比,当流向为90°时,工作船横荡运动幅值增大,纵荡运动幅值减小,艏摇角度增大,同时流向的改变也会引起系泊缆有效张力的变化;各系泊缆安全系数满足安全性要求。     

波浪能装置抗台风恒张力系泊系统的数值模拟

为了在恶劣海况下保持系泊系统的恒定张力,本文提出一种适用浮式波浪能装置的恒张力系泊系统。通过浮体运动距离释放动能,建立有效的系泊收放方案,保证瞬时最大系泊力永不超过系泊线破断力。采用中国南海风浪流环境条件,部署水深28 m,基于时域势流理论研究了260 kW鹰式波浪能装置与恒张力系泊系统的耦合动力响应,分析了锚链尺寸、布局以及安装成本的影响。通过与传统的悬链线系泊系统的比较,发现恒张力系泊系统可有效地减小锚链长度、材料用量和系泊线最大张力。恒张力系泊系统由于保持基本恒定的张力,避免系泊线拉直和结构受力过大而被破坏的可能,因此可有效提高装置在台风中的生存能力。     

大型气浮沉箱拖航过程中的垂荡运动特性分析

为防止大型气浮沉箱在浅水海域拖航中由于垂荡值过大造成触底,本文研究了气浮沉箱的垂荡运动特性。采用MOSES分析软件获得气浮沉箱在不规则波波浪下垂荡位移的响应,经Welch法分析得到气浮沉箱的固有垂荡周期;利用周期不同的规则波浪进行气浮沉箱拖航模拟,以此获得相应的垂荡运动位移幅值最大点对应的周期值范围。同时,分析了理论垂荡固有周期值的计算过程,并研究了不同吃水对气浮沉箱垂荡运动特性的影响。证明经过MOSES分析软件和功率谱估计得到的垂荡固有周期值是合理的,可以参与水动力学计算并作为选取附加质量因素时的参考值;随着吃水的加大或分舱内气压的减小,垂荡固有周期值有增大的趋势。     

新型6 MW单柱浮式风力机耦合运动

针对100 m水深条件,设计新型6 MW海上单柱浮式风力机;利用气 -液-固-弹性数值模拟软件FAST,对该浮式风力机进行全耦合时域动力响应分析. 整个风力机系统的气动力分析采用叶素动量理论,浮式基础的水动力分析基于势流理论同时考虑采用Morison公式计算得到的黏性阻尼,系泊系统采用等效的弹性杆单元. 数值仿真结果表明：浮式基础纵荡和纵摇耦合作用较明显;平台运动响应主要取决于风载荷,波浪载荷会改变平台在平衡位置附近的振荡运动;风浪同向会激发较大的运动响应;风浪的夹角越大,平台首摇运动越明显;在额定海况下,环境载荷方向的变化对垂荡运动的影响较小;delta-line能够很好地控制首摇运动,可以避免锚链缠绕现象发生;设计出的6 MW浮式风力机具有良好的总体运动响应,系泊系统设计方案能够保证风力机系统的安全运行.     

新型6 MW单柱浮式风力机耦合运动分析

针对100 m水深条件,设计新型6 MW海上单柱浮式风力机;利用气-液-固-弹性数值模拟软件FAST,对该浮式风力机进行全耦合时域动力响应分析.整个风力机系统的气动力分析采用叶素动量理论,浮式基础的水动力分析基于势流理论同时考虑采用Morison公式计算得到的黏性阻尼,系泊系统采用等效的弹性杆单元.数值仿真结果表明：浮式基础纵荡和纵摇耦合作用较明显;平台运动响应主要取决于风载荷,波浪载荷会改变平台在平衡位置附近的振荡运动;风浪同向会激发较大的运动响应;风浪的夹角越大,平台首摇运动越明显;在额定海况下,环境载荷方向的变化对垂荡运动的影响较小;delta-line能够很好地控制首摇运动,可以避免锚链缠绕现象发生;设计出的6 MW浮式风力机具有良好的总体运动响应,系泊系统设计方案能够保证风力机系统的安全运行.     

方形FPSO系泊系统动力分析

海洋结构物系泊系统设计和分析对其安全操作至关重要,以往的研究大多集中于深水平台。将对浅水中作业的方形FPSO系泊系统动力特性展开研究,分析对比浅水中钢链和聚酯缆两种系泊系统的动力特性和浮体位移,并根据API规范校核自存工况下系缆强度并验证浮体在浅水中是否会触底,之后根据结果确定合理的系泊系统设计方案。分析方法基于三维势流理论和浮体运动的耦合时域模拟,浮体水动力分析中考虑浅水效应,计算了二阶波浪的二次传递函数矩阵,系缆张力分析基于有限元理论。结果表明聚酯缆系泊系统更适用于浅水区域作业的FPSO。     

深吃水半潜式平台垂荡响应数值分析

为优化半潜式平台的垂荡性能,以DPS 2001-4深吃水半潜式平台半潜式平台为例,在频率内采用粘滞阻尼线性化方法,通过数值迭代计算得到了该平台的垂荡响应幅值算子(RAO).根据得到的垂荡RAO,分析了垂荡板对平台垂荡响应的影响,并进一步求得了平台在墨西哥湾、西非和中国南海海域百年一遇海况下的垂荡响应极值.计算结果表明:垂荡板系统对平台的垂荡响应有着很好的抑制作用,但随着垂荡板放置水深的增加,平台在各海况下的垂荡响应极值逐渐变小,当水深超过100 m后,垂荡响应极值将逐渐趋于恒定.     

不规则波中浮式平台波漂力及运动计算研究

为研究分析系泊浮式生产储油平台波浪漂移力计算精度和耦合运动时域模拟的方法，本文使用自主开发的一阶泰勒展开边界元方法对某浮式生产储油平台在压载工况下的频域波浪漂移力进行了计算，并与商业软件AQWA、WAMIT计算的漂移力结果作对比分析。在频域计算的基础上，使用基于异步耦合方法开发的系泊浮体耦合运动分析程序对浮式生产储油平台在多个不规则波海况下的非线性运动响应进行时域模拟，并与模型试验测试结果作对比，分析了数值模拟精度。从结果显示可知计算结果吻合较好，即使是更为复杂的海况，在海浪和海流同向的情况下，异步耦合分析程序也能获得与模型试验较为一致的结果。     

浮式风机平台与波能装置混合系统的性能分析

为了研究波能装置与浮式风机平台混合系统在某一典型海况下的最优组合形式及最优功率的大小,本文依据线性势流理论,采用高阶边界元方法建立了多波浪能装置与浮式风机平台垂荡运动频域数值模型.研究动力输出装置的阻尼最优的情况下,不同尺寸和布局的波能装置对混合系统的最优功率和浮式风机平台受力的影响.结果表明:与浮式风机平台相结合的波...     

二阶波浪力下6 MW单柱浮式风力机动态响应分析

为了实现在中等深度海域浮式风力发电机的规模应用,解决能源短缺问题,针对设计出的新型6MW海上单柱浮式风力机的生存能力进行探讨,利用Sesam软件获取二阶波浪力计算时所需的wamit文件,利用气-液-固-弹性数值软件FAST对该浮式风力发电机进行时域耦合运动响应仿真模拟.分别就不同浪向下平台各自由度的运动响应、二阶平均波浪力和二阶慢漂波浪力对平台各自由度运动响应的影!响、二阶平均波浪力和二阶慢漂波浪力对锚链张力和机舱的影响进行了研究.结果表明:首摇运动随浪向角增大而增大,而波浪入射角对其他各自由度运动影响较小;二阶慢漂力对垂荡运动影响显著,且易激发较大的纵摇运动响应,并诱发较大的锚链张力;采用delta-line的系泊系统能够避免产生过大的首摇响应,且系泊系统的最大张力远在破断张力以下,整个风力机系统在恶劣海况下具有良好的生存能力.     

海上浮式风机平台弱非线性耦合动力响应分析

为了准确有效地预报海上浮式风力机载荷与运动响应,本文针对系泊平台系统提出一种弱非线性间接时域方法。风力机平台遭遇的入射波作用力和静水恢复力直接在瞬时湿表面上积分计算获得;散射力采用线性势流理论处理;平台系泊力由悬链线方程计算得到。以OC3-Hywind spar风力机平台为对象进行了计算与分析,与线性方法相比,弱非线性方法得到的幅值响应算子(response amplitude operator,RAO)更大,且能够反映波浪力和恢复力与平台响应的相互影响。由于考虑了瞬时湿表面的影响,弱非线性方法计算结果更为合理,可以更好地反映大波高海况的波浪力特征,因而更加适合高海况下的平台运动性能分析。     

半潜型垂直轴风机纵荡下气动载荷特性

为了研究半潜式垂直轴浮式风机纵荡运动对风机气动载荷的影响,本文建立了5MW浮式风机、平台、系泊系统全非线性耦合的计算模型,采用流体固体交互方法和重叠网格技术对风浪双激励下平台纵荡运动时的风机气动载荷进行分析,研究了不同速比下纵荡运动对转矩系数、叶片推力系数、能量利用率的变化规律,并与相同速比下陆地垂直轴风机进行比较。结果表明:高速比下平台以较高纵荡均值做高频小幅振荡;回复运动时转矩系数大于正向运动时转矩系数;能量利用率系数在中低速比时大于陆地风机;叶片推力系数和转矩系数变化趋势相同。本文的研究结论对于分析浮式风力机叶片载荷和估算深远海风场年发电量具有理论指导意义。     

海上风机半潜式基础概念设计与水动力性能分析

针对5 MW海上风机动力响应较大的问题,提出了半潜型浮式基础的概念设计,研究了半潜式浮式基础在不同风浪环境下的运动响应和生存能力。考虑叶片空气动力载荷及风浪载荷,以及浮式基础与系泊系统的耦合,建立风机结构系统及水动力模型,采用动量－叶素理论计算叶片空气动力载荷,在频域范围内计算了载荷传递函数。计算分析浮式基础风机系统不同风浪情况下的时域动力响应,评估了半潜型浮式基础在极限海况下的生存能力。结果显示,半潜型浮式基础运动性能良好,且在极端海况下,各系泊缆安全系数均大于1．67,破损状况下安全系数均大于1．33,该浮式基础及其系泊系统具有足够的抵抗极端海况的能力。     

张力腿浮式风机筋腱失效模式下瞬态响应分析

针对风力机-张力腿型支撑平台-筋腱耦合系统,对全耦合动力学仿真软件FAST的系泊载荷计算模块进行二次开发,采用时域分析方法对张力腿浮式风机（FOWT）WindStar TLP system筋腱失效模式下的瞬态响应进行数值仿真分析. 重点研究50 a一遇海况中不同浪向下的浮式风力机支撑平台运动、机舱加速度和筋腱张力等关键参数的瞬态响应. 结果表明：在该工况下支撑平台运动、机舱加速度、筋腱张力的瞬态响应较显著;失效筋腱位于背浪侧时的浮式风力机瞬态响应大于失效筋腱位于迎浪侧时的浮式风力机瞬态响应,当位于背浪侧的失效筋腱与波浪共线时,浮式风力机瞬态响应最大;在极端海况中筋腱失效模式下的筋腱系统安全系数符合美国船级社规范要求,表明该张力腿型浮式风力机具备较好的自存性.     

张力腿浮式风机筋腱失效模式下瞬态响应分析

针对风力机-张力腿型支撑平台-筋腱耦合系统,对全耦合动力学仿真软件FAST的系泊载荷计算模块进行二次开发,采用时域分析方法对张力腿浮式风机（FOWT）WindStar TLP system筋腱失效模式下的瞬态响应进行数值仿真分析.重点研究50 a一遇海况中不同浪向下的浮式风力机支撑平台运动、机舱加速度和筋腱张力等关键参数的瞬态响应.结果表明：在该工况下支撑平台运动、机舱加速度、筋腱张力的瞬态响应较显著;失效筋腱位于背浪侧时的浮式风力机瞬态响应大于失效筋腱位于迎浪侧时的浮式风力机瞬态响应,当位于背浪侧的失效筋腱与波浪共线时,浮式风力机瞬态响应最大;在极端海况中筋腱失效模式下的筋腱系统安全系数符合美国船级社规范要求,表明该张力腿型浮式风力机具备较好的自存性.     

拖缆长度对筒基平台气浮拖航影响的试验研究

以筒型基础平台为对象,在拖航速度、系拖点以及吃水深度一定的条件下,对不同拖缆长度的拖航组合,采用1:20的模型进行顺浪和逆浪下的拖航试验.通过测定各试验组合拖航过程中平台运动加速度、筒内气压力、筒底水压力以及拖缆力变化,分析得到拖缆长度对筒型基础平台顺浪与逆浪拖航时基本力学参数的影响,进而得出其对平台航向稳定性的影响.分析结果表明,与顺浪拖航相比,逆浪拖航时拖缆长度对平台横荡运动影响较大;合理的拖缆长度有利于缓解拖车与筒型基础平台运动不协调而产生的冲击张力,有利于缓解偏荡;但当拖航长度过大,其纵荡、横荡及垂荡幅度加大,直线航行能力越差,拖航操纵困难.对于该筒型基础平台,在顺浪和逆浪拖航中,拖缆长度为48 m(即3.2倍的平台宽度),平台的拖航稳性和耐波性均最高.     

风浪联合作用下驳船型海上浮式风机的PTMD减振控制

提出通过碰撞调谐质量阻尼器(PTMD)抑制海上驳船型漂浮式风机在风浪作用下的系统面内振动响应。首先,以ITI Energy Barge浮式平台为下部支撑,搭载美国国家可再生能源实验室(NREL)提出的5 MW风机为研究对象,建立16-DOF全耦合动力模型,并与OpenFAST对比验证准确性。利用考虑Prandtl修正和Glauert修正的叶素动量理论计算风荷载导致的气动力,通过线性势流理论计算波浪力,准静态法计算系泊力,发电机采用恒功率策略并搭配叶片集体变桨控制。而后进一步引入非线性粘弹性碰撞模型,研究置于机舱中的PTMD对Barge型浮式风机面内振动响应的控制效果,并对碰撞参数进行优化。结果表明,PTMD对浮式风机平台横摇和塔架纵向位移有显著减振抑制作用,同时对振子行程有着较好的约束能力。     

混沌优化在船舶码头系泊缆绳张力计算中的应用

系泊船舶缆绳张力的模型实验研究和理论计算对于缆绳的选取、系泊设备的设计、系泊方式及预紧力的确定,以及船级社规范的制订都有着重要的指导意义. 国内对码头系泊的研究相对较少,且主要依赖于模型实验. 文中对小波浪水域码头系泊船舶缆绳张力的计算建立了数学模型,并用混沌优化的方法对非线性系泊方程组进行了求解,其结果与实验结果对比有较好的一致性.