Spar基础浮式风机系泊系统全耦合分析
发布时间：2021-11-09 10:28
以OC3 Hywind Spar基础浮式风机为研究对象,采用先进的空气动力-水动力耦合时域分析方法,对其在中国南海某海域风浪流共同作用下的系泊系统、浮式基础运动以及风机和塔架载荷响应进行分析,对比定常风与湍流风模型对浮式风机系泊系统、整体运动响应以及风机载荷的影响。计算结果表明:相比于湍流风,采用定常风进行浮式风机系泊系统分析将得到偏于危险的结果,并且,浮式风机运动响应与风机载荷结果偏小。因此,建议在系泊系统初始设计阶段采用定常风方法进行设计,在系泊分析阶段采用湍流风进行分析,以保证浮式风机的长期服役安全。
【文章来源】：船舶工程. 2018,40(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
OC3Hywind浮式风机示意图
径/mm100.0回转半径Rxx/m22.8总长/m870.0回转半径Ryy/m22.8轴向刚度EA/MN854.0回转半径Rzz/m4.5水中重量/(kg·m1)173.0平台总质量/t8130.0布置角度/(°)0/120/240系泊缆数目3水平跨距/m850.0风机浮式基础为Spar形式（图1），直径9.4m，吃水120m，总排水量8130t。整个浮式风机系统通过系泊系统实现定位，系泊系统为3×1形式，每组系泊缆由单根链环直径为100mm的单一材质锚链组成，长度870m，每组系泊缆相距120°。出于简便考虑，本文的系泊系统由3根单根单材质系泊缆组成。风机整体坐标系如图2所示，其坐标系原点位于平台立柱横截面平均水面位置，Z方向正向由平均水面指向水面以上。当波浪方向与X轴正向重合时为0°（Inline方向），波浪方向与X轴负向重合时为180°（BetweenLines方向）。图1OC3Hywind浮式风机示意图图2平台整体坐标系位置及波浪来向定义1.2环境条件目标海域为中国南海北部某海域，水深200m。具体环境条件分为4类，即额定风速对应环境条件、切出风速对应环境条件、生存工况1和生存工况2。1）当处于额定风速作用下时，风机处于满发状态，此时风机风轮所受风载荷较大，需要对该环境条件下的系泊系统响应作出分析。2）当风速达到切出风速时，风机顺桨停机，此时，风、浪、流环境条件大于额定工况，但小于生存工况。3）生存工况1：百年一遇条件下，流速达到最大时对应的风速和波浪环境条件。由于该浮式平台为Spar形式，中国南海北部普遍流速较大，因而有必要分析生存条件下流速较大时整体系泊系统的响应情况。4）生存工况2：百年一遇条件下，风速达到最大系泊缆浮式风机0°180°YX
空气密度；CL和CD为升力和拖曳力系数；φ为入流角；c为叶片单元弦长；W为叶片单元处的气流相对速度。每个单元长度dr对应的升力和推力系数可以表达为()2LC=L/0.5ρVS（4）()2DC=D/0.5ρVS（5）式中：L为升力；D为拖曳力；S为叶片单元剖面形状面积；V为叶片单元处的气流相对速度。2.2频域水动力分析AQWA是一款三维绕射/辐射水动力计算软件，本文中采用该软件计算浮式风机基础的水动力系数、一阶波浪载荷和二阶差频载荷。频域水动力计算采用低阶面源法[7]，浮式基础面源模型如图3所示。图3AQWA水动力计算模型2.3时域全耦合分析平台全耦合时域计算通过Orcaflex软件实现[8]，完整的计算模型如图4所示。在该模型中，系泊缆模型采用三维梁单元计算理论并划分为合适数量的单元数目。计算中，这些单元不但能够考虑自身质量、浮力和刚度情况，还可以考虑附加质量和拖曳力系数等水动力载荷。图4FAST-Orcaflex时域耦合计算模型平台的流载荷通过建立多段变截面Morison杆来进行计算。平台的水动力数据由AQWA传递而来。为保证计算结果的随机性，每个工况都进行5个不同波浪种子的模拟。平台的整体运动和系泊缆响应等结果完全由时域模拟计算得出，最终计算结果为5个波浪种子模拟结果的均值。根据牛顿第二定律，平台重心处六个自由度的非线性运动方程可以表达为[M+A]x′′(t)+Dx′(t)+Kx(t)=F(t)（6）12wwwindcurrentothersF(t)=f+f+f+f+f（7）式中：M为平台质量；A为附加质量；x为对应自由度运动位移；t为时域模拟时刻；D为阻尼；K为刚度；F(t)为对应时刻外界载荷；fw1为一阶波浪载荷；fw2为二阶波浪载荷；fwind为风载荷；fcurrent为流载荷；fothers为其他外部载荷。在时
【参考文献】：
期刊论文
[1]Wind-wave induced dynamic response analysis for motions and mooring loads of a spar-type offshore floating wind turbine[J]. 马钰,胡志强,肖龙飞. Journal of Hydrodynamics. 2014(06)
本文编号：3485158
【文章来源】：船舶工程. 2018,40(01)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
OC3Hywind浮式风机示意图
径/mm100.0回转半径Rxx/m22.8总长/m870.0回转半径Ryy/m22.8轴向刚度EA/MN854.0回转半径Rzz/m4.5水中重量/(kg·m1)173.0平台总质量/t8130.0布置角度/(°)0/120/240系泊缆数目3水平跨距/m850.0风机浮式基础为Spar形式（图1），直径9.4m，吃水120m，总排水量8130t。整个浮式风机系统通过系泊系统实现定位，系泊系统为3×1形式，每组系泊缆由单根链环直径为100mm的单一材质锚链组成，长度870m，每组系泊缆相距120°。出于简便考虑，本文的系泊系统由3根单根单材质系泊缆组成。风机整体坐标系如图2所示，其坐标系原点位于平台立柱横截面平均水面位置，Z方向正向由平均水面指向水面以上。当波浪方向与X轴正向重合时为0°（Inline方向），波浪方向与X轴负向重合时为180°（BetweenLines方向）。图1OC3Hywind浮式风机示意图图2平台整体坐标系位置及波浪来向定义1.2环境条件目标海域为中国南海北部某海域，水深200m。具体环境条件分为4类，即额定风速对应环境条件、切出风速对应环境条件、生存工况1和生存工况2。1）当处于额定风速作用下时，风机处于满发状态，此时风机风轮所受风载荷较大，需要对该环境条件下的系泊系统响应作出分析。2）当风速达到切出风速时，风机顺桨停机，此时，风、浪、流环境条件大于额定工况，但小于生存工况。3）生存工况1：百年一遇条件下，流速达到最大时对应的风速和波浪环境条件。由于该浮式平台为Spar形式，中国南海北部普遍流速较大，因而有必要分析生存条件下流速较大时整体系泊系统的响应情况。4）生存工况2：百年一遇条件下，风速达到最大系泊缆浮式风机0°180°YX
空气密度；CL和CD为升力和拖曳力系数；φ为入流角；c为叶片单元弦长；W为叶片单元处的气流相对速度。每个单元长度dr对应的升力和推力系数可以表达为()2LC=L/0.5ρVS（4）()2DC=D/0.5ρVS（5）式中：L为升力；D为拖曳力；S为叶片单元剖面形状面积；V为叶片单元处的气流相对速度。2.2频域水动力分析AQWA是一款三维绕射/辐射水动力计算软件，本文中采用该软件计算浮式风机基础的水动力系数、一阶波浪载荷和二阶差频载荷。频域水动力计算采用低阶面源法[7]，浮式基础面源模型如图3所示。图3AQWA水动力计算模型2.3时域全耦合分析平台全耦合时域计算通过Orcaflex软件实现[8]，完整的计算模型如图4所示。在该模型中，系泊缆模型采用三维梁单元计算理论并划分为合适数量的单元数目。计算中，这些单元不但能够考虑自身质量、浮力和刚度情况，还可以考虑附加质量和拖曳力系数等水动力载荷。图4FAST-Orcaflex时域耦合计算模型平台的流载荷通过建立多段变截面Morison杆来进行计算。平台的水动力数据由AQWA传递而来。为保证计算结果的随机性，每个工况都进行5个不同波浪种子的模拟。平台的整体运动和系泊缆响应等结果完全由时域模拟计算得出，最终计算结果为5个波浪种子模拟结果的均值。根据牛顿第二定律，平台重心处六个自由度的非线性运动方程可以表达为[M+A]x′′(t)+Dx′(t)+Kx(t)=F(t)（6）12wwwindcurrentothersF(t)=f+f+f+f+f（7）式中：M为平台质量；A为附加质量；x为对应自由度运动位移；t为时域模拟时刻；D为阻尼；K为刚度；F(t)为对应时刻外界载荷；fw1为一阶波浪载荷；fw2为二阶波浪载荷；fwind为风载荷；fcurrent为流载荷；fothers为其他外部载荷。在时
【参考文献】：
期刊论文
[1]Wind-wave induced dynamic response analysis for motions and mooring loads of a spar-type offshore floating wind turbine[J]. 马钰,胡志强,肖龙飞. Journal of Hydrodynamics. 2014(06)
本文编号：3485158
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