单柱式浮式风机动力性能机理和响应特性的模型试验与数值模拟研究

发布时间：2020-06-07 14:15

【摘要】：随着全球持续增长的对于能源的需求以及人们对于环境保护的愈加重视,清洁能源成为目前研究和发展的一个重点。风能和太阳能是目前最被看好的能应用到商业领域的新能源。由于传统的海底固定式的离岸浮式风机在深水中成本会显著增加,工业界和研究者于是逐渐将目光转向漂浮式的风力机。本文的研究对象为深水单柱式浮式风力机,它可以布置在远离海岸线的海域,并且足够接近人口密集和经济发达的沿海城市。这样有利于捕获稳定和强劲的风能,也利于能源的传输。海上浮式风力机是一个复杂的综合系统,对于浮式风机的研究涉及多学科交叉,包括空气动力学、水动力学、多体动力学(弹性)以及自动控制系统。由于浮式风机数值模型的复杂性,国际上各研究机构的仿真软件/程序的准确性和可靠性,需要实测数据或试验数据来验证。然而由于各公司/研究机构对于数据专属权的保护,国际上实测和试验数据的公布十分缺乏。因此,为了满足国际上现有浮式风机仿真软件/程序的急切验证需要,也为了对单柱式浮式风机的动力响应特性和耦合特征进行深入分析。作者在上海交通大学海洋深水试验池进行了基于200m实型水深的单柱式浮式风机1:50缩尺比的水池模型试验。本文突破了传统海洋工程浮式结构物模型试验技术在开展浮式风机模型试验研究方面的瓶颈,创新性地提出一套浮式风机模型试验技术。包括动力相似准则考虑、叶轮旋转控制技术、叶片制作技术、开放水池空间条件下的风场模拟技术、风机塔架弹性体模拟技术和质量控制技术。并在此基础上,对于单柱式浮式风机的系统动力响应特性进行了较为全面的研究,分析了运动、风机/塔架载荷、锚链张力之间的耦合作用和响应特征。对单柱式浮式风机在均匀流下的VIM特性进行了深入研究,分析了风浪载荷对于浮式风机VIM响应的特殊影响。在水池模型试验中创新性地使用了在低Re下有着更好C_t,C_p性能的推力相似叶片,并和常规的几何相似叶片的浮式系统进行了对比,研究了这种叶片对于浮式系统复杂动力响应行为的影响。综合空气动力学、水动力学和动力学的机理研究,建立了浮式风机动力学模型。并在此基础上,开发了浮式风机动力性能预报的计算程序DARwind,该程序由空气动力学模块、水动力学模块和动力学模块组成,能实现时域下的统一耦合计算。基于试验中的浮式风机参数,在DARwind和FAST数值仿真程序及软件中建立相应的数学模型,计及了试验中传感器及其线缆的影响、试验环境低雷诺数的影响、塔架的弹性等,通过试验和数值的对比,验证仿真程序/软件的准确性。
【图文】：

变化图,支撑结构,水深,变化图

多沿海国家安装海上风机，海上风电成为风能开发的热点[9]。这是风机而言，海上风力机的应用有如下的几个优势：上风力机离岸较远，产生的视觉和噪音污染更小，对人类日常生活影上风场不仅风能资源储量丰富，而且更强劲也更稳定，适合安装大的大型风力机结构。占用有限的陆地空间，海上风场建设不受空间的限制，可建大型的发电量非常可观。且沿海的风能开发更靠近经济发达、能源需求旺。风力机根据支撑结构形式的不同分为固定式和漂浮式两种，目前海上及研究主要还是借鉴海上油气平台的形式和技术。固定式海上风力机是便于管理、维护和电力传输。但是随着水深的增加，固定式海上及建造成分将急剧增加，而漂浮式风力机具有更好的经济性[11]。图种情况[9]。

浮式,单柱,风机

大学博士学位论文第 1 章绪浮式风力机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）的概念最早由 MImus 教授提出[12]。海上浮式风机可看做是风力机与浮式平台的结合，根据浮式不同，主要分为单柱式、半潜式和张力腿式浮式风机[13]，如图 1-2 所示。其式风机由于压载舱位于浮体下部，使得其重心很低，从而平台具有非常好的稳固有周期通常远离海洋能量集中频带，在波浪载荷下会十分稳定，安全性性能良单柱式平台造价低、便于拖曳和安装，灵活性好。因此国际上对于单柱式这种研究热情也十分高涨，世界上第一台由挪威石油公司研究设计的、正式投入运机 Hywind，就是采用单柱式 Spar 的支撑结构。考虑到我国南海严峻的海况和适合单柱式浮式风机的布置和使用。这也是为何本文选择单柱式这种支撑平机作为研究对象的原因。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TK83

【参考文献】