海上浮式风力机流体动力响应研究
发布时间：2020-09-14 19:21
在全球的范围内,海上风能的开发与利用正在以迅猛的速度增长。相对于近海浅水风能资源,近海深水水域风速更大且更加稳定,利用空间更大,固定式风力机适应水深无法超过30m,海上浮式风力机概念在此背景下应运而生,且快速发展。海上浮式风力机系统处于复杂海洋环境中,不同于常规的陆地风力机和海洋采油平台,其载荷和运动呈现复杂的非线性和非定常性。本文以海上浮式风力机为研究对象,利用叶素动量理论、完全细长体理论及悬链线理论等理论方法研究了浮式风力机系统载荷、动力响应预报以及风力机和浮体的响应特性。在风力机空气动力研究方面,基于风力机坐标系统和海洋工程坐标系统建立了海上浮式风力机的坐标系统;基于偏航叶素动量理论,采用动态入流模型和失速模型等对其进行了修正和补充,并考虑了浮式风力机动态运动引起的陀螺力矩,从而建立了完整的海上浮式风力机气动载荷及性能数值模型,通过对比验证,证明了该模型的准确性;以美国国家可再生能源实验室(NREL)开发的5MW海上风力机为研究对象,分别研究了风力机姿态、速度变化、六自由度运动和控制系统对风力机气动性能的影响,总结了各种因素对风力机气动性能的影响规律。在系统的动力响应模型方面,根据欧拉角建立了系统时域非线性耦合动力学方程,根据海上风力机的复杂环境,考虑风剪切效应、塔影效应和湍流风效应,建立了风环境;根据风力机气动载荷数值模型和海洋工程风载荷模型建立了浮式风力机的风载荷模型;考虑了规则波、随机波浪和海流作用,基于非线性细长体理论建立水环境和水动力载荷模型;基于准静态悬链线理论建立了系泊系统模型,形成了完整的海上浮式风力机系统动力响应数值模型,并以此分析了一种铰接式平台的水动力响应特性。在铰接式海上风力机设计及响应特性方面,参考各种海洋平台形式并分析固定式基础的限制条件,提出了一种铰接式海上风力机概念,并分析了这一概念的优点。基于NREL 5MW风力机设计了铰接式平台的基本参数,根据环境条件分别分析了定常风和规则波对铰接式海上风力机的影响特性。在随机风浪环境条件下分析了系统运动响应特性和风力机响应特性,总结了风浪环境对风力机系统的影响规律。在海上浮式风力机试验研究方面,综合风力机风洞试验和海洋工程试验的缩尺方法,提出了以Froude数为基准的缩尺准则,给出了海上浮式风力机试验中的重要参数的缩尺,论述了 Reynolds数的影响。基于试验理论和实验室环境条件,设计了铰接式海上风力机试验模型,给出了试验方案,探索了以定常载荷模拟风力机气动载荷的试验方法,分析了该方法的适用性和局限性。进行了自由衰减、规则波响应和随机波浪响应试验,验证了铰接式概念的可行性和数值方法的准确性。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK83
【部分图文】：
．．由于风力机距离海面近百米（５ＭＷ风力机机舱距离海面９０ｍ），海上浮式风力重心位置高，承受复杂的海洋环境（图１．４），各种环境均会导致风力机的非定常响应，逡逑系统的流体动力特性和规律有待研究。逡逑１．２上式力
．．目前，关于海上浮式风力机的设计主要集中于日本、美国和欧盟国家，现有的海上逡逑浮式风力机设计项目见表Ｕ。逡逑目前，世界范围内已安装了邋８台海上浮式风力机示范样机。２００８年，意大利风电场逡逑采用英国Ｂｌｕｅ邋Ｈ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司提出的深海浮式风能开发方案，开创了海上浮式风力逡逑机样机安装示范的先例。该样机位于意大利东南部海域，离岸２０ｋｍ邋［１（Ｍ１１。ｋ力机功率逡逑为８０ｋＷ，安装水深为１０８ｍ，如图１．７邋（ａ）所示，该海上风力机采用了邋ＴＬＰ浮式平台。逡逑
逦第１章绪论逦逡逑转到榄岛附近水域（图１．７（ｆ）），该海域常年风速大于７．５ｍ／ｓ，波高小于ｌｍ的概率大于逡逑８９％［１８］。该样机为ｌＯＯｋＷ缩尺样机，采用下风向风力机，利用三根悬链线系泊。该样逡逑机在进行腐蚀、磨损及环境影响评估后可能会移除，其２ＭＷ的全尺度样机预计在２０１３逡逑年建成。逡逑２０１１年，美国开发的ＷｉｎｄＦｌｏａｔ安装了海试样机，样机为单个Ｖｅｓｔａｓ邋Ｖ８０－２．０ＭＷ风逡逑力机，系泊线选择锚链与聚酯缆的组合形式［１９］。安装位置在葡萄牙北部的大西洋，与逡逑Ａｇｕｆａｄｏｕｒａ距离５ｋｍ，安装水深４３ｍ，排水量１２００ｔ，如图１．７（ｇ）所示。与其他样机不逡逑同的是，该样机采用了循环水调节系统，在不同风向时调节压载分布，保证系统在较小逡逑范围内倾斜。逡逑基于已有的设计和试验数据，美国}煲蛑萘⒋笱в冢玻埃保衬辏对略趠煲蛲灏沧傲艘诲义咸ǎ保海傅模模澹澹穑茫鳎椋睿溲郏玻牵荩缤迹保罚ǎ瑁８醚翘逵苫炷林瞥桑С牛玻埃耄椎姆珏义狭敲拦谝惶ú⑼⒌绲母∈椒缌郏玻保荨ｅ义
本文编号：2818564
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2014
【中图分类】：TK83
【部分图文】：
．．由于风力机距离海面近百米（５ＭＷ风力机机舱距离海面９０ｍ），海上浮式风力重心位置高，承受复杂的海洋环境（图１．４），各种环境均会导致风力机的非定常响应，逡逑系统的流体动力特性和规律有待研究。逡逑１．２上式力
．．目前，关于海上浮式风力机的设计主要集中于日本、美国和欧盟国家，现有的海上逡逑浮式风力机设计项目见表Ｕ。逡逑目前，世界范围内已安装了邋８台海上浮式风力机示范样机。２００８年，意大利风电场逡逑采用英国Ｂｌｕｅ邋Ｈ邋Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ公司提出的深海浮式风能开发方案，开创了海上浮式风力逡逑机样机安装示范的先例。该样机位于意大利东南部海域，离岸２０ｋｍ邋［１（Ｍ１１。ｋ力机功率逡逑为８０ｋＷ，安装水深为１０８ｍ，如图１．７邋（ａ）所示，该海上风力机采用了邋ＴＬＰ浮式平台。逡逑
逦第１章绪论逦逡逑转到榄岛附近水域（图１．７（ｆ）），该海域常年风速大于７．５ｍ／ｓ，波高小于ｌｍ的概率大于逡逑８９％［１８］。该样机为ｌＯＯｋＷ缩尺样机，采用下风向风力机，利用三根悬链线系泊。该样逡逑机在进行腐蚀、磨损及环境影响评估后可能会移除，其２ＭＷ的全尺度样机预计在２０１３逡逑年建成。逡逑２０１１年，美国开发的ＷｉｎｄＦｌｏａｔ安装了海试样机，样机为单个Ｖｅｓｔａｓ邋Ｖ８０－２．０ＭＷ风逡逑力机，系泊线选择锚链与聚酯缆的组合形式［１９］。安装位置在葡萄牙北部的大西洋，与逡逑Ａｇｕｆａｄｏｕｒａ距离５ｋｍ，安装水深４３ｍ，排水量１２００ｔ，如图１．７（ｇ）所示。与其他样机不逡逑同的是，该样机采用了循环水调节系统，在不同风向时调节压载分布，保证系统在较小逡逑范围内倾斜。逡逑基于已有的设计和试验数据，美国}煲蛑萘⒋笱в冢玻埃保衬辏对略趠煲蛲灏沧傲艘诲义咸ǎ保海傅模模澹澹穑茫鳎椋睿溲郏玻牵荩缤迹保罚ǎ瑁８醚翘逵苫炷林瞥桑С牛玻埃耄椎姆珏义狭敲拦谝惶ú⑼⒌绲母∈椒缌郏玻保荨ｅ义
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