海上风力机气动特性及新型浮式系统

发布时间：2020-06-17 11:50

【摘要】：随着全球气候恶化、环境污染及常规能源短缺问题的日趋严峻,世界各国都在努力寻求清洁可再生的替代能源。风能作为新能源领域中技术最为成熟和最具大规模商业开发前景的清洁可再生能源,受到了世界各国的广泛关注。特别是在海上风能开发领域,其以风速高、湍流强度小、受噪音标准限制小、节约土地资源等优点,成为未来风能大开发的重要研究方向。本文以海上风能开发为大背景,顺应其发展趋势,针对其中的近海风资源评估、大型海上风力机二维翼型及三维叶片的气动性能分析、海上风力机的船舶碰撞、未来深水浮式系统研究等问题,采用数值模拟与理论分析、场地观测与模型试验相结合的方法进行了较为系统的研究,具体研究内容归纳如下: 1针对目前气象测站分布数量有限及沿海测站尤为稀少的现状,结合美国国家环境预报中心的再分析资料、美国地质调查局的高分辨率地形植被资料及大连地区4个主要气象站30年的观测资料,利用中尺度MM5气象模式系统对大连及其近海地区的风场进行了一整年(2000年)的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不同高度处的年平均风速、年有效风能小时数、年有效风能功率等重要风资源信息。 2基于二维Navier-Stokes方程及k-? SST湍流模型对大型海上风力机的主流二维翼型的气动性能进行了数值模拟。考虑大入射攻角的动力失速效应,尝试通过对湍流模型内部的关键参数进行适当修正,来改善数值模拟结果。考虑叶片表面灰尘沉积效应,分别模拟分析不同表面粗糙面积、不同粗糙位置、不同粗糙度当量大小对翼型升阻力系数的影响,深入剖析了表面粗糙度对翼型气动性能的作用机理。考虑叶片与塔架二维及三维流场的干涉效应,并对作用在塔架上的气动力波动情况进行了较为清晰的阐明。结合实测台风数据,基于动力学Newmark-?方法编写嵌入式CFD求解程序并结合滑移网格技术模拟翼型与周围流场的非线性耦合作用,分别研究台风作用下翼型竖向单自由度振动、扭转单自由度振动及二者耦合振动三种情况下的非线性气弹响应。 3基于三维Navier-Stocks方程和适用于旋转流场分析的RNG k-?湍流模型,采用滑移网格技术对美国可再生能源实验室的5MW海上风力机叶片进行三维气动性能的数值模拟,分别研究了不同入射风速及不同风轮转速对风力机输出功率的影响,并在此基础上进一步研究了大型海上风力机尾迹区域的风场特征。 4选取典型3MW单桩基础海上风力机及2000t级船体的简化模型,利用广泛应用于碰撞分析的LS-DYNA大型有限元软件模拟海上风力机塔架遭受船体碰撞的整个动力破坏过程。此外,基于牺牲非主体结构形变耗能来保护海上风力机整体结构安全的设计思想,概念性地提出一种适合于海上风力机这种特殊结构形式的钢质球壳与泡沫铝隔垫层结合式新型防撞装置,并分别从理论分析和数值模拟的角度验证了此种新型装置的良好防护性能。 5基于美国可再生能源实验室5MW海上风力机模型,概念性地提出了两种新型张力腿-锚缆结合式海上浮式风力机系统。综合考虑顶部风机、支撑结构和下部系泊系统的动力耦合作用,分别对海上风力机单体浮式系统和多体浮式系统进行风、浪、流联合作用下的时域分析。此外,特别针对风力机单体浮式系统,利用哈尔滨工业大学先进的风洞浪槽联合实验室,对其进行1:60缩尺模型的典型工况测试,并将主要测试结果与对应纯张力腿模型的测试结果进行了较为系统的对比分析。分别从理论分析、数值模拟及缩尺模型试验的角度验证了新型张力腿-锚缆结合式系泊系统的良好性能。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TK83
【图文】：

年平均风速

我国风能资源非常丰富，陆上可开发风能约有 2.53 亿千瓦，其年平均风速分布概况如图 1-3所示。图1-3 我国年平均风速分布Fig.1-3 The distribution of annual mean wind speed in China从 80 年代后期开始，我国逐步在海南、辽宁、新疆、甘肃等地区兴建了第一批陆上风电场。此后，我国风电产业稳步发展。随着 2005 年 2 月 16 日《京都议定书》的正式生效，我国更加坚定控制温室气体排放，走可持续发展道路的决心。近几年来，全国风电总装机容量一直保持强劲发展势头，从2005 年的 1.27GW 迅速增长到 2010 年的 25GW，实现了连续 4 年翻番增长的奇迹。截止到 2010 年初，全国已有 25 个省份、直辖市、自治区具有风电装机。随着大型海上风电场在欧洲的迅速发展，我国也将海上风能开发列为未来风电产业的重要发展方向[2-4]。我国海上风能资源非常丰富

示意图,截面图,翼型,攻角

如图 1-5所示。图1-5 截面翼型入射攻角示意图[23]Fig.1-5 The construction of airfoil’s angle of attack[24]其中，计算诱导速度分量的公式可以表达为：z0cosW4 ( )gBLrF V f n n W （1-1）y0sinW4 ( )gBLrF V f n n W （1-2）式中 B——叶片数量L——升力系数 ——风向入射角 ——空气密度n——旋转平面法量fg——Glauer 修正参数在考虑三维叶尖漩涡效应时，Prandtl 对二维翼型气动性能数据进行了叶尖损失修正，取得了较好的效果。但由于风力机叶片旋转效应的存在，叶片表面边界层的流动受科氏力和向心力影响较大，特别是在湍流失速区的流动。因此，Snel[24]和 Chaviaropoulos[25]对二维翼型数据进行了进一步的修正，以此来

【参考文献】