模块尺度效应对多浮体结构连接器载荷的影响特征分析

连接器是模块化多浮体结构至关重要且最易受损的关键构件。结合模块化多浮体结构的尺度选择和连接器安全稳定的需求,基于三维非线性势流理论,考虑多体水动力耦合效应及连接器机械耦合效应,构建代表性三模块浮体结构耦合时域分析模型,重点研究典型海况下模块化多浮体结构尺度效应对连接器载荷的影响特征,揭示模块尺度效应对连接器载荷及各模块动力响应的影响机理。结果表明,大波浪周期的海况下,相同吃水下,模块连接器荷载的增大比例与模块尺度改变近似线性关系,为对应尺度模块的排水量之比;小波浪周期的海况下,相同排水下,大尺度小吃水模块的纵荡运动和连接器纵向受力更优。考虑目前船坞建造能力和各尺度模块水动力响应特征,建议尽量选用尺度较大的模块(如40 m×40 m),为模块化多浮体结构的优化设计提供借鉴。

新型海上浮式风力机概念设计

以美国可再生能源实验室(NREL)研究所选用的5MW海上风力机为主要参考模型,概念性地提出一种新型张力腿-锚缆结合式系泊系统的浮式平台形式。综合考虑顶部风机响应、支撑结构和下部系泊系统的动力耦合作用,参照IEC 61400-3海上风力机设计规范中的典型设计工况,采用数值模拟的手段对新型海上风力机浮式平台进行风浪流联合作用下的时域分析。结果表明,新型张力腿-锚缆结合式系泊系统可很好地保障海上5MW浮式风力机的正常工作性能,其对未来海上浮式风力机的发展具有积极的指导意义。

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε(RNG)湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室(NREL)5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。

大型海上风力机尾迹区域风场分析

随着世界范围内海上风电场的不断兴起及海上风电场设计规模的日趋庞大,大型海上风力机尾迹区域风场特征的研究对于海上风电场的优化布局有着重要的指导意义。本文基于三维Navier-Stocks控制方程和适用于旋转流场分析的RNGk-ε湍流模型,采用滑移网格技术对美国可再生能源实验室(NREL)的5 MW海上风力机的性能及其尾迹区域的风场特征进行了较为系统的数值模拟。通过将不同风速下风力机输出功率的数值结果与NREL的设计参考数据进行对比,三维数值模型的有效性得到了很好地验证。此外,在此基础上进一步研究了大型海上风力机额定风速下及不同风轮转速下尾迹区域平均风速的分布特征,并得到了一系列具有参考价值的重要结论。

大型风力机二维翼型气动性能数值模拟

运用先进的CFD软件FLUENT对大型风力机的主流商用二维FFA-W3-301和FFA-W3-211翼型的气动性能进行了数值模拟。采用了κ-ωSST湍流模型,并考虑了大入射攻角下失速现象的影响,对κ-ωSST湍流模型的内部关键参数进行了适当的修正,得到的升力系数和阻力系数模拟结果与风洞试验结果吻合很好;同时还进一步研究了这种翼型的升力系数与阻力系数对其表面粗糙度的敏感性,得到了该翼型对小粗糙度敏感性强的结论。综合结果表明,数值模拟技术是大型风力机翼型设计分析便捷有效的参考手段。

台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷研究

结合2005年0518号台风"Damrey"的实测时程数据,参考美国可再生能源实验室5 MW风力机主要设计参数,重点研究台风作用下近海风力机叶片的空气动力载荷特征。首先,鉴于完整台风实测数据跨越时间较长,且风速和风向变化具有显著的时段特征,因此科学截取一段具有代表性的3 h台风风速-风向时程数据。其次,综合考虑5 MW风力机叶片主要截面翼型设计参数和变速变桨控制系统,基于叶素动量(BEM)理论模拟分析代表性台风时程下风力机叶片的空气动力载荷特征,并将该数值模拟结果与相关简化计算结果进行对比分析,揭示风力机变速变桨控制系统的时滞性对台风作用下叶片空气动力载荷的重要影响。最后,进一步研究风力机停机状态下的叶片台风载荷特征,建议在台风作用下采用主动顺桨叶停机策略,以实现降低叶片气动载荷保证风力机主体结构安全的目的。

MM5模式在大连近海风资源评估中的应用

利用中尺度MM5气象模式系统,对大连及其近海地区风场进行了较为系统的高分辨率数值模拟,定性及定量地得到了该地区10 m高度处的年平均风速等直线图、年有效风能小时数等值线图、年有效风能功率等值线图及长海地区的年风玫瑰图,进一步研究了该地区年有效风能功率密度沿垂直高度的变化。综合考虑该地区沿海水深、港口运输及水产养殖等因素的影响,建设性地提出了3个近海风能重点开发区域,并给出了这3个地区的年风速分布概率情况。基于MM5模式的数值评估结果,为该地区近海风资源的开发利用提供了重要的参考依据。

极端台风下停机姿态对海上风力机叶片气动载荷影响

基于计算流体力学(CFD)方法,选取美国可再生能源实验室(NREL)5 MW风力机叶片主要设计参数,重点研究台风风速大于切出风速(风力机停机)时,不同台风入射风向及不同叶片停机桨矩角对风力机叶片气动载荷的影响特征,揭示最不利叶片停机姿态及对应风载系数;进一步对比分析可能出现的最不利叶片变桨故障停机工况与正常顺桨矩停机工况下的风力机气动载荷的特征,提出2种停机姿态下海上风力机最大安全设计风速的对应建议值。

基于MM5模式的大连近海地区风能资源评估

利用MM5中尺度气象模式和美国国家环境预报中心提供的1°×1°再分析初始场资料,对大连近海地区的风场进行了网格距为3km的高空间分辨率数值模拟,模拟时段为2000年全年.通过对比3个气象站风速的数值结果与站点观测结果,验证了该模式的有效性.对MM5模式的输出结果进行了后处理,得到了大连近海地区的年平均风速、年平均功率密度和年可利用时间等评估参数的等值线图,对大连市近海风能资源分布情况进行了分析.结果表明,大连近海地区风能资源较为丰富,具有较大的开发价值.

浮式海上风电机组试验模型相似准则与风荷载模拟装置

浮式海上风电机组(FOWT)作为一门新兴的前沿学科,相关研究强烈地依赖波浪水池模型试验,模型试验结果的准确性和可靠性不仅取决于模型本身能否反映实际结构的几何与力学特征,而且取决于试验环境能否重现自然的海洋环境。因此,当前适用于FOWT波浪水池模型试验的相似准则和风荷载模拟技术研究显得尤为重要,分别针对以上两方面内容阐述了当前国内外研究现状及存在的问题,为FOWT波浪水池模型试验提供有益的借鉴。

基于结构全寿命设计需求的疲劳风速谱模型与参数

基于结构全寿命设计和风致疲劳研究的需求,利用辽宁、深圳和环渤海地区的测风资料,采用威布尔分布对我国疲劳风速的概率分布特点进行了分析。研究表明,威布尔分布可用于编制我国疲劳风速谱,其形状参数是影响风速概率分布的重要参数,不同地区疲劳风速分布的形状参数取值各不相同:以年为时间长度,辽宁长海地区疲劳风速分布的形状参数约为1.7,深圳地区约为2.3,环渤海地区约为2.0。同时,还提出了我国疲劳风速谱参数的简化取值方法。研究结果可为相关区域的结构设计和疲劳累积损伤分析提供基础数据,并为合理编制疲劳风速谱和了解我国疲劳风速分布特点提供参考。

海上风机单桩支撑结构灌浆连接性能分析

填充高强灌浆材料的连接段广泛应用在海上风电场单桩支撑结构上,但是该类结构往往会发生一些无法预测的灾变行为,如过渡段钢管与灌浆材料之间垂向滑移甚至水平张开。引起该现象的主要原因是灌浆连接段的设计几何尺寸以及材料强度并不符合当前海洋工程规范的适用范围,对灌浆连接段的力学行为理解不充分。文章采用有限元软件ANSYS分析了无剪力键单桩结构灌浆连接段组合结构的相互作用行为,灌浆材料与钢管之间的作用采用非线性接触模型,采用弹塑性和断裂力学模型模拟灌浆材料的非线性行为,最终给出合适的高强灌浆材料连接模拟方法,并分析其性能及失效机制。

新型浮式风能-波浪能集成结构系统耦合动力分析

针对中国丰富深水风能和波浪能资源开发的未来需求,提出一种张力腿式风力机与垂荡式波浪能装置相集成的新型浮式结构系统。首先,选取NREL 5 MW风力机模型,基于叶素动量理论(blade element momentum,BEM)方法研究该集成系统风力机叶片的气动性能,基于势流理论方法模拟分析垂荡式波浪能装置与张力腿平台结构的水动力载荷,并考虑波浪能装置等效PTO(power take-off)系统的多体动力耦合效应,建立新型张力腿式风力机-垂荡式波浪能装置集成结构系统的空气动力与水动力耦合时域分析模型;其次,对比总结不同波浪能装置(PTO)设计参数对集成平台波浪能输出功率的影响规律;最后,重点研究典型最大运行发电海况下该新型浮式集成结构系统的结构动力响应特征及风能-波浪能输出功率特征,并验证其在极端海况下的安全性能。

风浪联合作用下海上风机动力响应模型试验设计方法

海上风机规格越来越大,水深越来越深,其动力响应问题愈发突出,对这一动力敏感性结构的设计,应该避免与波浪和风机产生共振,开展风浪环境荷载与海上风机相互作用的模型试验显得尤为必要。弹性相似模型是研究整体结构的动力行为的主要手段,将着重从基础结构弹性模型设计方法、风机模型设计方法、风荷载模拟装置、测量方法等方面进行研究。试验方法为海上风机的动力响应模型试验提供了有益的借鉴。

基于环境因素的海上风机支撑结构方案比选多级模糊决策

海上风机的支撑结构选型优化是一个多属性决策问题。针对环境等影响因素复杂、确定隶属函数主观因素较强的问题,引入优先关系法来确定优选矩阵的隶属度,减少了确定隶属函数的人为影响,将四种方案和八种因素进行了多级模糊综合优选决策,得到了科学的决策结果,为其方案选型提供了量化分析手段。

四桨船舶螺旋桨轴承力数值预报研究

本文基于RANS方法和VOF模型,建立四桨船裸船阻力及自航性能数值预报模型,开展船桨一体数值模拟研究。对比分析内外桨载荷时均值及脉动值的差异,并结合伴流场谐调分析,论述内外桨轴承力差异的原因。研究发现:就载荷均值而言,内桨的轴向载荷分别大于外桨轴向载荷;就载荷脉动值而言,外桨轴向载荷脉动值大于内桨,这是由于桨盘面伴流场各阶谐调分量的差异造成的,在直航工况下,内外桨之间的相互影响较小,相比较而言,外桨工作对内桨性能的影响更大。

基于张力腿平台风能-波浪能集成结构系统动力分析

提出一种基于张力腿平台(TLP)的新型风能-波浪能集成结构的概念设计方案,分析该集成系统在典型海况下的水动力响应特征。该集成模型由2个外侧迎浪纵摇式波浪能装置(WEC)、一个内侧TLP模块以及一个DTU 10 MW风力机组成。基于BEM方法研究该集成系统风力机叶片的气动性能,并基于势流理论方法综合考虑WEC和平台的多体机械耦合和水动力耦合效应,建立了该集成结构系统的空气动力与水动力耦合时域分析模型。重点研究典型运行海况下该新型集成结构系统的结构动力响应特征及风能-波浪能输出功率特征,并验证其在极端海况下的安全性能。

新型串联浮筒张力腿式风力机纵荡响应分析

针对中国海上风能资源开发需求,结合张力腿式结构平面内运动响应相对较大的问题,提出一种新型串联浮筒张力腿式风力机系泊系统(Serbuoys-TLP)。基于绕射和辐射波浪理论建立新型串联浮筒-张力腿式风力机结构系统的水动力耦合时域模型;分析不同波况下串联浮筒对风力机纵荡响应的抑制效果,讨论浮筒参数及平台就位水深等因素对纵荡抑制效果的影响;最终参考中国某海域实际工作海况,研究该新型风力机结构风浪流联合作用下的运动性能。结果表明:串联浮筒方案能明显减小张力腿式风力机纵(横)荡方向的运动响应,优化张力腿式风力机平面内总体运动性能。

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。

单桩基础海上风力机防护装置的船舶碰撞试验与数值对比分析

针对某4MW单桩基础海上风力机,提出了一种新型钢壳-橡胶组合结构的防船舶碰撞装置,分别基于简化缩尺物理模型试验和非线性有限元软件LS-DYNA方法,对船舶碰撞时海上风力机的动力响应特征进行了对比分析,同时,参照相关国际规范,选取了具有代表性的碰撞工况,分别研究了船舶碰撞时无防护装置的海上风力机和船舶碰撞时有防护装置的海上风力机的动力响应特征,结果表明,新型防护装置可以有效地降低作用于风力机主体结构的最大船舶撞击力,它可以利用其外层薄壁钢壳结构的塑性变形来吸收船舶的碰撞能量,从而保护风力机塔架及整体结构的安全.此外,数值模拟结果与物理模型试验结果具有较好的一致性,相关数值模型的有效性也得到了验证.