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。     

随机风场作用下海上风力机基础结构疲劳分析

运用FAST分别建立海上风力机半整体模型与整体耦合模型,计算得到脉动风速时程作用下塔筒顶部位置的风力机荷载。首先采用SACS建立包括塔筒和基础结构的海上风力机简化有限元模型,分别施加基于半整体和整体耦合模型得到的风力机荷载时程,开展支撑结构动力响应计算;再采用海上风力机规范建议的热点应力公式确定基础结构管节点的热点应力时程,采用P-M线性累积准则完成海上风力机基础结构疲劳分析。基于半整体模型与整体耦合模型的疲劳损伤对比得出,有必要采用整体耦合模型开展海上风力机基础结构疲劳校核。     

地震、风、浪作用下融合海水养殖的海上风力机耦合响应机理研究

为实现海洋空间立体化,最大化经济产出,提出一种单桩基础海上风电机组（OWT）融合海水养殖的新型增殖型海上风电机组结构（MOWTAC）。该研究提出基于时域耦合数值仿真工具FAST v8的新型增殖型海上风力机水动力计算模型,建立新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下的整体耦合计算模型。进一步,开展地震组合工况作用下新型增殖型海上风力机整体结构动力响应计算。由计算结果可知,地震荷载为新型增殖型海上风力机在地震、风和波浪荷载作用下海上风力机结构响应的控制荷载。相比于风浪联合工况,新型增殖型风力机在地震荷载激励下2阶频率对于结构响应的影响显著增加。     

海上风力机变桨控制策略仿真研究

基于开源软件FAST与Matlab/Simulink联合仿真平台,将干扰自适应控制(DAC)应用于海上风力机变桨控制,并与FAST基础控制进行对比,分析不同控制对海上风力机漂浮稳定性的影响,并提出一种改进的DAC,研究其对海上风力机漂浮式平台及风轮转速的影响。结果表明:与FAST基础控制相比,在DAC下海上风力机风轮转速更稳定,但其漂浮稳定性差;DAC对海上风力机漂浮稳定性的影响主要集中于纵荡和纵摇方向;与DAC和FAST基础控制相比,改进的DAC更适用于海上风力机变桨控制。     

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5MW海上风力机的疲劳载荷特性分析

海上风力机在风和波浪的联合作用下运行,受到风、波浪等产生的随机交变载荷作用,在设计寿命期间要受到超过108的载荷循环,风力机疲劳荷载特性是风力机设计的重要问题。文章以NREL 5 MW单桩式海上风力机为研究对象,采用IEC标准中Kaimal谱模拟风况、莫里森公式模拟海浪,建立海上风力机的动态模型,应用FAST软件研究风力发电机组在IEC疲劳工况下,正常发电、发电出现脱网故障、启动、正常停机的荷载特性,得到叶片、塔筒上的载荷分布等,研究风力机叶片、塔筒载荷变化规律,为风力机结构疲劳寿命损耗估算、优化设计提供可靠依据。     

地震作用下固定式海上风力机耦合反应分析

基于海上风力机耦合分析软件FAST V8进行二次开发,增加海上风力机地震分析模块,建立地震荷载作用下固定式海上风力机整体耦合分析模型。首先基于陆上NREL 5 MW基准风力机,通过与Seismic的计算结果对比,对该模块的适用性进行验证。然后开展不同烈度地震以及地震、风和波浪联合等不同荷载组合工况作用下的海上风力机动力反应分析,深入研究风力机运行状态、控制策略以及荷载之间的耦合作用对结构反应的影响。     

基于粘滞阻尼器的单桩式海上风力机结构振动控制

为探究湍流风与地震联合作用下单桩式海上风力机的结构动力学响应与振动控制,以单桩式NREL 5 MW海上风力机为研究对象,采用有限元法建立三维壳模型并基于二次开发将体等效线性模型集成于ABAQUS中,通过附加粘滞阻尼器对地震诱导风力机振动进行控制。结果表明:粘滞阻尼器能够大幅降低地震导致的风力机塔顶振动,但对湍流风引起的塔顶振动控制效果并不明显;粘滞阻尼器也能缓解因地震造成的支撑结构上Von-Mises应力集中现象且在粘滞阻尼器安装位置效果最好;粘滞阻尼器能够显著降低风力机桩基部分所受剪力最大值,而对弯矩的控制效果则在风力机支撑结构部分效果最明显。     

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。     

3种典型海上浮动式风力机动力学特性比较分析

综合考虑海上浮动式风力机所受气动、水动载荷及控制系统的影响,建立3种典型浮动式风力机的气动-水动-控制-结构完全耦合动力学模型。以NREL 5 MW机组为基础,运用FAST程序与Aero Dyn、Hydro Dyn子程序,计算分析3种浮动式风力机在不同工况下的响应,并与相同型号的陆基定桩式风力机组在相应工况下的响应进行分析比较。研究结果表明:气动载荷和水动载荷的耦合作用对浮动式风力机动力学响应影响显著,且不同浮动风力机的响应也有明显差距;浮动风力机所受最大载荷相对陆上风力机有所增加,其中Barge和Spar-Buoy两种浮动风力机最大塔根弯矩增幅达到1.4倍以上;Barge平台和TLP平台作为海上风力机组的浮动平台具有较好的稳定性。     

Aeroelastic analysis of a floating offshore wind turbine in platform‐induced surge motion using a fully coupled CFD‐MBD method

Modern offshore wind turbines are susceptible to blade deformation because of their increased size and the recent trend of installing these turbines on floating platforms in deep sea. In this paper, an aeroelastic analysis tool for floating offshore wind turbines is presented by coupling a high‐fidelity computational fluid dynamics (CFD) solver with a general purpose multibody dynamics code, which is capable of modelling flexible bodies based on the nonlinear beam theory. With the tool developed, we demonstrated its applications to the NREL 5 MW offshore wind turbine with aeroelastic blades. The impacts of blade flexibility and platform‐induced surge motion on wind turbine aerodynamics and structural responses are studied and illustrated by the CFD results of the flow field, force, and wake structure. Results are compared with data obtained from the engineering tool FAST v8.     

A CFD study of coupled aerodynamic‐hydrodynamic loads on a semisubmersible floating offshore wind turbine

The prediction of dynamic characteristics for a floating offshore wind turbine (FOWT) is challenging because of the complex load coupling of aerodynamics, hydrodynamics, and structural dynamics. These loads should be accurately calculated to yield reliable analysis results in the design phase of a FOWT. In this study, a high‐fidelity fluid‐structure interaction simulation that simultaneously considers the influence of aero‐hydrodynamic coupling due to the dynamic motion of a FOWT has been conducted using computational fluid dynamics based on an overset grid technique. The DeepCwind semisubmersible floating platform with the NREL 5‐MW baseline wind turbine model is considered for objective numerical verification with the NREL FAST code. A state‐of‐the‐art computational model based on the coupled computational fluid dynamics and dynamic structure analysis is constructed and analyzed to solve multiphase flow, 6 degrees of freedom motions of OC4 semisubmersible FOWT. A quasi‐static mooring solver is also applied to resolve the constraint motion of floater because of a 3‐line mooring system. The influence of tower shadow on the unsteady aerodynamic performance and loads is also demonstrated. Finally, complex unsteady flow fields considering blade and tower interference effects among blade‐tip vortices, shedding vortices, and turbulent wakes are numerically visualized and investigated in detail.     

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。     

极限环境载荷诱导风力机结构振动影响分析

风力机桩基、塔架及连接部件构成的支撑结构属顶部承担较大质量的力学结构,地震对其造成的影响远大于常规建筑.针对上述问题,基于NREL开发计算平台,联合TurbSim、AeroDyn、FAST及Seismic,对变风载荷、变地震载荷(波形、强度)下的风力机动力学响应进行研究.发现:地震横波对风力机结构响应造成剧烈影响,纵波...     

基于精确桩土模型的桁架式大型海上风力机地震动力学响应分析

为更精确研究桁架式大型海上风力机在地震载荷作用下的结构动力学响应,建立桩土模型,描述土体物理性质与桩-土间的相互作用,以桁架式支撑结构的美国可再生能源实验室(NREL)5 MW海上风力机为研究对象,建立有限元模型并分析在湍流风与地震联合作用下的动力学响应.结果 表明:相较于湍流风,地震作用对桁架式海上风力机动力学响应的...     

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。     

两种常用漂浮式风力机平台动态特性分析

分别针对MIT/NREL TLP和Umaine-Hywind Spar两种海上风力机浮式平台主体的水动力特性进行研究,旨在分析两者的系泊稳定性.基于海洋水动力学和结构动力学理论,建立了平台/缆索系统耦合模型,在水深和外界载荷激励相同的情况下,利用有限元分析ANSYS软件中的水动力学计算模块进行时域、频域响应分析,研究了两种平台在海风、海流和随机波联合作用下的动态响应,并分析了两种平台随波浪频率的响应变化.结果表明:MIT/NREL TLP平台的动态响应较大,而Umaine-Hywind Spar平台动态响应较小;两平台均在低频波浪作用下产生响应峰值.     

Modelica-AeroDyn: Development,benchmark, and application of a comprehensive object-oriented tool for dynamic analysis of non-conventional horizontal-axis floating wind turbines

The exploitation of offshore wind energy by means of floating wind turbines is gaining traction as a suitable option to produce sustainable energy. Multi-rotor floating wind turbines have been proposed as an appealing option to reduce the costs associated with manufacturing, logistics, offshore installations, and operation and maintenance of large wind turbine components. The development of such systems is forestalled by the lack of a dedicated tool for dynamics and load analysis. Standard codes, such as FAST by NREL, offer the desired fidelity level but are not able to accommodate multi-rotor configurations. A few experimental codes have been also proposed, which may accommodate multi-rotor systems, but low flexibility makes them impractical to study a vast range of innovative multi-rotor FWTs concepts. To close the gap, this work presents the development and comprehensive benchmark of a fully coupled aero-hydro-servo-elastic tool able to easily accommodate arbitrary platform and tower geometries and the number of wind turbines employed. Development is carried out in Modelica, which allows for the employment of the same code functionality in a virtually unlimited number of physical configurations. Full blade-element momentum capabilities are achieved by integrating into Modelica the well-established NREL aerodynamic module AeroDyn v15 within FAST v8. Structural dynamics of tower and blades are implemented through a lumped-element approach. Hydrodynamic loads are computed by employing the DNV software SESAM WADAM. Thorough benchmark is performed against FAST, and positive results are obtained. The dynamic performance of a two-rotor floating wind turbine is finally assessed considering different turbulence spectrums.