海上浮式風力機流體動力響應(yīng)研究.pdf

1、在全球的范圍內(nèi)，海上風能的開發(fā)與利用正在以迅猛的速度增長。相對于近海淺水風能資源，近海深水水域風速更大且更加穩(wěn)定，利用空間更大，固定式風力機適應(yīng)水深無法超過30m，海上浮式風力機概念在此背景下應(yīng)運而生，且快速發(fā)展。海上浮式風力機系統(tǒng)處于復雜海洋環(huán)境中，不同于常規(guī)的陸地風力機和海洋采油平臺，其載荷和運動呈現(xiàn)復雜的非線性和非定常性。本文以海上浮式風力機為研究對象，利用葉素動量理論、完全細長體理論及懸鏈線理論等理論方法研究了浮式風力機系統(tǒng)載荷

2、、動力響應(yīng)預(yù)報以及風力機和浮體的響應(yīng)特性。
　　在風力機空氣動力研究方面，基于風力機坐標系統(tǒng)和海洋工程坐標系統(tǒng)建立了海上浮式風力機的坐標系統(tǒng)；基于偏航葉素動量理論，采用動態(tài)入流模型和失速模型等對其進行了修正和補充，并考慮了浮式風力機動態(tài)運動引起的陀螺力矩，從而建立了完整的海上浮式風力機氣動載荷及性能數(shù)值模型，通過對比驗證，證明了該模型的準確性；以美國國家可再生能源實驗室（NREL）開發(fā)的5MW海上風力機為研究對象，分別研究了風力機

3、姿態(tài)、速度變化、六自由度運動和控制系統(tǒng)對風力機氣動性能的影響，總結(jié)了各種因素對風力機氣動性能的影響規(guī)律。
　　在系統(tǒng)的動力響應(yīng)模型方面，根據(jù)歐拉角建立了系統(tǒng)時域非線性耦合動力學方程，根據(jù)海上風力機的復雜環(huán)境，考慮風剪切效應(yīng)、塔影效應(yīng)和湍流風效應(yīng)，建立了風環(huán)境；根據(jù)風力機氣動載荷數(shù)值模型和海洋工程風載荷模型建立了浮式風力機的風載荷模型；考慮了規(guī)則波、隨機波浪和海流作用，基于非線性細長體理論建立水環(huán)境和水動力載荷模型；基于準靜態(tài)懸鏈線

4、理論建立了系泊系統(tǒng)模型，形成了完整的海上浮式風力機系統(tǒng)動力響應(yīng)數(shù)值模型，并以此分析了一種鉸接式平臺的水動力響應(yīng)特性。
　　在鉸接式海上風力機設(shè)計及響應(yīng)特性方面，參考各種海洋平臺形式并分析固定式基礎(chǔ)的限制條件，提出了一種鉸接式海上風力機概念，并分析了這一概念的優(yōu)點?；贜REL5MW風力機設(shè)計了鉸接式平臺的基本參數(shù)，根據(jù)環(huán)境條件分別分析了定常風和規(guī)則波對鉸接式海上風力機的影響特性。在隨機風浪環(huán)境條件下分析了系統(tǒng)運動響應(yīng)特性和風力機響

5、應(yīng)特性，總結(jié)了風浪環(huán)境對風力機系統(tǒng)的影響規(guī)律。
　　在海上浮式風力機試驗研究方面，綜合風力機風洞試驗和海洋工程試驗的縮尺方法，提出了以Froude數(shù)為基準的縮尺準則，給出了海上浮式風力機試驗中的重要參數(shù)的縮尺，論述了Reynolds數(shù)的影響。基于試驗理論和實驗室環(huán)境條件，設(shè)計了鉸接式海上風力機試驗?zāi)Ｐ?，給出了試驗方案，探索了以定常載荷模擬風力機氣動載荷的試驗方法，分析了該方法的適用性和局限性。進行了自由衰減、規(guī)則波響應(yīng)和隨機波浪響