半潜式浮式风机动力响应机理的理论与模型试验研究

发布时间：2017-08-05 00:04

  本文关键词：半潜式浮式风机动力响应机理的理论与模型试验研究

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【摘要】：由于环境污染、能源危机、可持续发展等议题日益成为人类社会生活的中心内容,风电产业正受到全世界愈来愈多的关注。实际上,陆基风力发电的商业化运作已经取得的巨大成功,已经成为一些地区的支柱型能源。然而,陆基风力发电的视觉、噪声污染却长期以来饱受诟病;而且由于陆地风场先天性缺陷(低平均风速、高湍流度),工业界难以高效地利用风力资源。在这样的背景条件下,风电产业正谋求向深水风场进军并创造性地提出了浮式风机平台这一全新的海洋工程装备概念。本文对一半潜式浮式风机平台(OC4-Deep Cwind)在典型风、浪条件下的运动、载荷响应性能进行了全面的分析与研究,并自主开发了一套时域耦合分析程序——Wind-SKLOE作为浮式风机系统动力学响应的预报工具。在此基础上,本文开展了相应的模型试验研究,充分讨论了模型制造、尺度效应等核心议题并通过试验数据验证了该耦合分析程序的预报精度。最后,文章利用数值工具FAST对该浮式风机系统在非正常工作状态下的动力学性能进行了研究。本文具体研究内容如下:1.首先全面、详实地介绍浮式风机系统这一全新的概念,重点阐述其在工程应用上的挑战与不同研究方法。2.开发耦合动力学时域模拟程序(Wind-SKLOE)预报浮式风机系统的运动相应。水动力学数值模型基于线性势流理论,并通过叶素动量理论计算气动载荷。由于自由液面的记忆效应,辐射波浪力与浮体历史运动相关,Wind-SKLOE中采用脉冲响应理论对其进行模拟。此外,通过引入动态尾流模型对气动力学中的动态效应进行修正。3.以OC4-Deep Cwind半潜浮式风机系统为研究对象开展相应的模型试验研究,详细介绍试验设计思路以及操作过程。着重讨论在Froude数相似条件下由于Reynolds数不相似所导致的气动力载荷不匹配问题以及修正方法。4.通过模型试验测量数据对自主开发程序的预报精度进行验证,讨论该程序的适用性与局限性5.通过数值工具FAST对OC4-Deep Cwind浮式风机系统在非正常工作条件下的独特响应特性进行研究,重点讨论机舱内部传动机构强制关闭后的瞬态效应。
【关键词】：浮式风机 动力响应 模型试验 时域数值计算 Wind-SKLOE
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.38
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 概述10-11
• 1.2 海上风力发电概况与应用挑战11-12
• 1.3 浮式风机系统研究进展12-19
• 1.3.1 实际概念项目12-17
• 1.3.2 数值分析工具研究进展17-18
• 1.3.3 模型试验研究进展18-19
• 1.4 研究内容以及创新点19-22
• 1.4.1 研究内容19-21
• 1.4.2 创新点21-22
• 第二章 OC4-DEEPCWIND半潜式浮式风机系统概述22-27
• 2.1 浮式风机系统介绍22-26
• 2.1.1 叶片参数23
• 2.1.2 机舱参数23
• 2.1.3 塔架参数23-24
• 2.1.4 浮体参数24-25
• 2.1.5 锚泊系统参数25-26
• 2.2 本章小结26-27
• 第三章 浮式风机耦合动力学机理研究27-53
• 3.1 耦合动力学模块28-30
• 3.1.1 坐标系28
• 3.1.2 动力学方程28-30
• 3.2 水动力学模块30-38
• 3.2.1 频域势流理论30-35
• 3.2.1.1 线性波浪理论30-31
• 3.2.1.2 速度势定解问题的提出与求解31-33
• 3.2.1.3 辐射波浪力与绕射波浪力33-35
• 3.2.2 时域波浪载荷数值模型35-38
• 3.2.2.1 一阶线性入射波浪力模型35
• 3.2.2.2 二阶差频漫漂波浪力模型35-36
• 3.2.2.3 辐射波浪力模型36-38
• 3.2.3 静回复力38
• 3.3 空气动力学模块38-50
• 3.3.1 二维翼型理论38-39
• 3.3.2 一维叶轮动量理论39-42
• 3.3.3 叶轮旋转效应42-43
• 3.3.4 叶素动量理论43-46
• 3.3.5 动态尾流修正模型46-50
• 3.4 锚泊系统模块50-51
• 3.5 本章小结51-53
• 第四章 浮式风机模型试验研究与试验结果分析53-88
• 4.1 模型试验介绍53-68
• 4.1.1 相似性法则53-54
• 4.1.2 模型制作54-57
• 4.1.3 试验条件与测量设备57-61
• 4.1.3.1 试验条件57-60
• 4.1.3.2 测量设备60-61
• 4.1.4 Reynolds数尺度效应及修正方法61-68
• 4.1.4.1 Reynolds数尺度效应61-63
• 4.1.4.2 修正方法63-68
• 4.2 模型校核68-73
• 4.2.1 造风系统校核68-69
• 4.2.2 塔架校核69-70
• 4.2.3 锚泊系统校核70-71
• 4.2.4 浮式系统校核71-73
• 4.3 试验结果的分析与讨论73-86
• 4.3.1 气动载荷对运动响应的影响75-80
• 4.3.1.1 白噪声试验75-77
• 4.3.1.2 浮式平台六自由度刚体运动77-78
• 4.3.1.3 机舱加速度78-80
• 4.3.2 叶轮回转效应80-82
• 4.3.3 塔架顶端局部载荷82-84
• 4.3.4 翼型对平台运动的影响84-86
• 4.4 本章小结86-88
• 第五章 WIND-SKLOE数值模拟程序计算精度验证88-104
• 5.1 自由衰减测试88-90
• 5.2 白噪声测试90-93
• 5.3 风力机气动力学性能测试93-96
• 5.4 风与规则波96-97
• 5.5 风与不规则波97-102
• 5.6 本章小结102-104
• 第六章 浮式风机在故障中的动力学响应机理分析104-109
• 6.1 叶轮推力、扭矩105-106
• 6.2 浮式平台运动响应106-107
• 6.3 塔架瞬态结构响应107-108
• 6.4 本章小结108-109
• 第七章 总结与展望109-112
• 7.1 研究内容与结论109-110
• 7.2 研究内容展望110-112
• 参考文献112-114
• 致谢114-116
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文116-119

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本文编号：622300