近海深水区混凝土半潜型浮式风机一体化计算与耦合动力特性分析

[目的]文章旨在探索10 MW级半潜型浮式风机的一体化计算方法并分析其在40～50 m近海深水区的耦合动力响应特性。[方法]以10 MW混凝土半潜型浮式风机为例,构建一体化时域数值计算模型,统计分析其额定发电和极端工况下的平台动力响应和系泊张力特征。[结果]平台水平运动主要受波浪荷载、风荷载和系泊刚度特性的影响,最大水平运动和系泊张力发生在生存工况,垂向运动主要受波浪荷载影响,摇摆运动的均值主要受风荷载影响,上述浮式风机动力响应均满足设计指标。[结论]一体化数值计算方法较好地考虑浮式风机耦合动力特性,由于水深限制,近海深水区的海上漂浮式风机对水平运动约束和系泊非线性问题的优化更为重要,响应极值主要发生在极端工况,上述结论为此类漂浮式海上风机基础结构的研究与设计工作提供了一定的参考。     

风浪对多浮筒半潜浮式风机关键部位弯矩的影响研究

针对半潜型浮式基础横撑和塔柱底部的弯矩特性,文章采用了气动-水动力-结构弹性耦合的时域分析方法,以DeepCwind浮式风机系统为研究对象,进行了不同风浪组合下的全耦合分析。该方法将各浮筒看作独立浮体,采用多体水动力理论预报浮式基础的波浪载荷,实现横撑与浮筒连接处弯矩的计算。计算结果表明:风载荷和波浪载荷对塔柱底部的弯矩均有明显的影响,而横撑弯矩主要来源于波浪载荷;相对于塔柱底部,横撑更容易发生破坏;将风和波浪单独引起的弯矩时历直接相加,可以较好地模拟风浪联合作用下横撑和塔柱的弯矩特性。研究结果可以为多浮筒半潜浮式风机的疲劳评估提供参考。     

考虑到台风海况浮式风力机半潜式平台风浪流载荷动态响应及系泊性能分析

为研究浮式风力机半潜式平台的动态响应及系泊性能,建立了基于半潜式平台的NREL5 MW浮式风力机模型.结合有限元方法,并利用辐射和衍射理论,在考虑风、浪、流载荷的联合作用下,运用Aqwa软件对极端海况下半潜式平台的动态响应及系泊性能进行数值仿真,得到了幅值响应算子(RAO)、附加质量、辐射阻尼随波浪频率的变化趋势以及极端海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应.结果表明:半潜式平台在高频区域(大于1.6rad/s)具有良好的运动性能,动态响应小;垂荡方向动态响应不受波浪方向变化的影响,且波浪方向为0°时,纵荡和纵摇动态响应最为剧烈;台风海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均大于无台风海况;随着海况恶劣程度加深,半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均明显增大.     

考虑黏性效应的半潜浮式风力机动力特性研究

对半潜浮式风力机动力特性进行研究，推导考虑黏性阻尼的动力学方程及传递函数。对黏性效应的影响及其计算方法进行探讨，对比附加阻尼矩阵法、Morison单元法的优缺点，并提出考虑黏性阻尼效应水动力计算的混合法，在此基础上对半潜浮式风力机气动-水动-锚泊全耦合动力响应进行分析。结果表明：黏性效应主要影响共振周期附近的响应值，在数值分析时不可忽略；附加阻尼矩阵法在考虑水平面内运动黏性阻尼时有所不足，且无法考虑黏性效应对共振周期的影响，Morison单元法在考虑垂荡、转动黏性阻尼时有所不足，混合法是考虑黏性阻尼水动力计算的更有效方法；该半潜浮式风力机垂荡和纵摇响应主要受波浪控制，而水平面内运动受风、浪、流联合作用的影响；浮式风力机运动和加速度的最危险工况可发生在发电工况时，最大锚链张力发生在极端环境条件时。     

波浪荷载作用下海上新型潜式浮式风力机运动特性研究

以适用于中等水深(50~200 m)的新型潜式浮式风力机为研究对象,该风力机基础综合Spar式、半潜式及张力腿(TLP)3类浮式风力机基础的优点,运行时基础主体淹没在水下,具有较小的水线面(如同Spar平台),受波浪影响较小;平台通过张紧式系泊线与海床相连(如同TLP平台),具有良好的垂荡和摇摆运动特性;拖航状态下,浮式平台处于半潜状态,水线面面积大(如同半潜式平台),具有良好的浮稳性。通过分析不同波况下的潜式浮式风力机耦合动力响应得到潜式浮式基础的横荡、纵荡、垂荡及纵摇运动响应,以及发电功率、叶片根部弯矩、塔筒顶部和底部弯矩、锚链张力时程曲线。研究结果表明:波浪对于结构的纵摇运动的影响最为明显,对发电功率、叶片根部弯矩和塔筒顶部弯矩影响较小,对塔筒底部弯矩和系泊线张力影响较大。     

新型半潜式双模块风机结构动力响应分析

为了使浮式海上风机便于安装、维护和拆除,文章提出了一种新型半潜式双模块风机集成结构。利用BEM方法研究该结构风机叶片的气动性能,利用势流理论方法综合考虑风机模块与浮式平台模块的多体机械耦合和水动力耦合效应,并进行了不规则波海况下风机模块的拆除模拟。研究结果表明:典型风浪联合运行下,纵荡幅值的平均值多体较单体降低了33.96%,纵摇幅值平均值降低了25.97%,提高了风机在运行状态下的稳定性;拆除过程中该集成结构受力合理,运动响应平稳,证明风机模块整体拆除具有可行性。     

风荷载对全潜式浮式风机拖航运动响应的影响

[目的]为了解决浮式风机拖航运输的安全问题,对全潜式浮式基础风机的拖航运动特性展开研究。[方法]针对全潜式浮式风机拖航过程,通过Moses软件建立了“全潜式浮式风机-拖缆绳-拖船”一体化拖航系统数值模型,设置了五组不同的海况对拖航过程进行计算。文章研究风速和风浪方向对全潜式浮式风机拖航运动响应的影响,并根据分析结果,提出有助于全潜式浮式风机拖航安全的建议。[结果]结果表明：相比于横摇运动,全潜式浮式风机的纵摇和垂荡运动受风速影响较为明显,风速越大,运动幅度越大;当风浪方向为90°时,风机的横摇运动受风浪方向影响较大,风浪方向为0°时,风机的纵摇和垂荡运动受风浪方向影响较大。[结论]在保证拖航过程在拖航窗口期的前提下,实际工程中建议对全潜式浮式风机采用逆风拖航的方式,以降低风机振动和共振的风险。同时,应尽量避免风向与拖航方向垂直的情况,两者垂直容易引发较大程度的横摇运动,使拖航过程较为危险。逆风拖航时,在超过平均海况的较大风速30.9 m/s下,全潜式浮式风机的运动响应及拖缆力仍能满足安全拖航的要求。     

南海海况下半潜浮式风机在故障工况下的动力学响应分析

  [目的]  作为新型清洁可再生能源,风力发电的发展备受瞩目。随着风力发电由陆上向海洋发展,海上浮式风电发展迅速。  [方法]  以南海海况下半潜浮式风机为研究背景,采用ANSYS-AQWA分析软件,对浮式风机在南海典型海况下的动力学响应进行了分析。采用等效载荷法模拟空气动力荷载,采用势流理论计算水动力荷载和系泊系统的锚链荷载。  [结果]  研究表明:当单根锚链发生断裂时,浮式风机的纵荡和运动会大幅增加,可能会引起平台失控。当两根锚链断裂时,在一定时间内,运动响应会适当增加。因此建议采用冗余系泊系统,即单组多根锚链,从而在单根锚链失效后为更换锚链赢取时间。  [结论]  研究成果为我国深海浮式风电的开发提供了一定的参考。对于舱室破损工况的破损机理及数值模拟方法,有待进一步的研究。     

海上浮式风力机二自由度动力学建模及风波耦合激励特性分析

针对海上浮式风力机,建立包括风轮旋转和浮式平台纵荡的二自由度动力学模型。基于该模型,推导风轮推力和输出功率计算式,分析风、波耦合激励特性。以5 MW DeepCwind半潜式浮式风力机为算例,计算当风向和波向一致时,在多种风、波联合激励下,风轮推力、输出功率及浮式平台纵荡位移、速度及加速度的响应谱,进行频响特性及风、波频耦合特性分析。结果表明,风力机性能指标响应谱中明显包含风频和波频成分;平台纵荡运动指标响应谱中只明显包含波频成分,风频对其影响不大。     

半潜式风流联合发电装置水动力性能分析

文章基于半潜式风流联合发电装置,以频域势流理论为基础,研究风流联合发电装置的频域水动力性能,得到了漂浮式载体在规则波中的运动响应RAO和水动力系数;根据载体频域分析结果、水轮机CFD数值模拟结果及风力机载荷特性确定装置的风、浪、流等载荷,利用Fortran编程对AQWA进行二次开发,计入附加的定常力及非定常力,并以此计算极限工况(破损自存工况)下,不规则波中的系统运动响应和系泊线张力。计算结果表明,该半潜式风流联合发电装置在极限工况下具有良好的水动力性能,设计安全可靠。     

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。     

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。     

Validation of a hybrid modeling approach to floating wind turbine basin testing

Hybrid modeling combining physical tests and numerical simulations in real time opens new opportunities in floating wind turbine research. Wave basin testing is an important validation step for floating support structure design, but current methods are limited by scaling problems in the aerodynamic loadings. Applying wind turbine loads with an actuation system controlled by a simulation that responds to the basin test offers a way to avoid scaling problems and reduce cost barriers for floating wind turbine design validation in realistic coupled conditions. In this work, a cable‐based hybrid coupling approach is developed and implemented for 1:50‐scale wave basin tests with the DeepCwind semisubmersible floating wind turbine. Tests are run with thrust loads provided by a numerical wind turbine model. Matching tests are run with physical wind loads using an above‐basin wind maker. When the numerical submodel is set to match the aerodynamic performance of the physical scaled wind turbine, the results show good agreement with purely physical wind‐wave tests, validating the hybrid model approach. Further hybrid model tests with simulated true‐to‐scale dynamic thrust loads and wind turbulence show noticeable differences and demonstrate the value of a hybrid model approach for improving the true‐to‐scale realism of floating wind turbine basin tests.     

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。     

Aerodynamic simulations of offshore floating wind turbine in platform‐induced pitching motion

Forfloating offshore wind turbines, rotors are under coupled motions of rotating and platform‐induced motions because of hydrodynamics impacts. Notably, the coupled motion of platform pitching and rotor rotating induces unsteadiness and nonlinear aerodynamics in turbine operations; thus having a strong effect on the rotor performances including thrust and power generation. The present work aims at developing a computational fluid dynamics model for simulations of rotor under floating platform induced motions. The rotor motion is realized using arbitrary mesh interface, and wind flows are modelled by incompressible Navier‐Stokes flow solver appended by the k  ? ω shear stress transport turbulence model to resolve turbulence quantities. In order to investigate the fully coupled motion of floating wind turbine, the six degree of freedom solid body motion solver is extended to couple with multiple motions, especially for the motion of rotor coupled with the prescribed surge‐heave‐pitch motion of floating platform. The detailed methodology of multiple motion coupling is also described and discussed in this work. Both steady and unsteady simulations of offshore floating wind turbine are considered in the present work. The steady aerodynamic simulation of offshore floating wind turbine is implemented by the multiple reference frames approach and for the transient simulation, the rotor motion is realized using arbitrary mesh interface. A rigorous benchmark of the present numerical model is performed by comparing to the reported literatures. The detailed elemental thrust and power comparisons of wind turbine are carried out by comparing with the results from FAST developed by National Renewable Energy Laboratory and various existing numerical data with good agreement. The proposed approach is then applied for simulations of National Renewable Energy Laboratory 5MW turbine in coupled platform motion at various wind speeds under a typical load case scenario. Transient effect of flows over turbines rotor is captured with good prediction of turbine performance as compared with existing data from FAST. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

考虑阻尼比的Spar式浮式风力机基础结构涡激运动特性研究

利用数值模拟方法对不同阻尼比条件下Spar式浮式风力机基础结构进行涡激运动特性的研究.从涡激运动响应幅值、频率比、位移、升力及拖曳力等方面研究Spar式浮式风力基础结构涡激运动的关键特性.研究表明:涡激运动上端分支对应的频率比为fy/fn≈1,且该分支出现最大幅值.随着阻尼比的增大,上端分支约化速度范围有减小趋势.低阻...     

Unsteady aerodynamics of offshore floating wind turbines in platform pitching motion using vortex lattice method

As the flow states of an offshore floating wind turbine (OFWT) differ from those of an onshore fixed wind turbine, it is questionable as to whether the aerodynamic load prediction of a turbine using conventional blade element momentum theory (BEMT) is accurate. The aim of this paper is to show the characteristics of aerodynamic load predictions using the vortex lattice method (VLM). Washizu's experimental data, which was measured under a similar flow state of a floating wind turbine, is used for validation. The prediction shows good results compared to those of an experiment. To determine the unsteady aerodynamics of a floating wind turbine, the NREL 5 MW wind turbine model is used for the simulation of a floating wind turbine. These results show that a turbulent wake state (TWS), which is undesirable condition and cannot predicted in BEMT simulation, arises when a floating wind turbine is operated at a low-speed inflow condition. In addition, the rotor experiences a TWS when the floating platform undergoes upward pitching motion.