考虑流固耦合的近海风机动力响应数值计算_邓露

考虑相关性的沿海大规模风电场出力特性研究卫鹏;刘建坤;周前【摘要】为了研究沿海地区密集型大规模风电场出力特性以及相互关联性,以江苏沿海大规模风电为例,基于EMS系统中的实测风电出力数据,对风电场之间的有功出力相关性、概率分布、月最大出力进行了分析,研究了风电场的有功出力波动情况,并探讨了风电有功出力对江苏电网综合负荷、调峰的影响.对于分布式新能源利用率的提高和调度运行的优化具有重要意义.【期刊名称】《江苏电机工程》【年(卷),期】2016(035)005【总页数】5页(P6-9,31)【关键词】风电;出力特性;概率分布;相关性;波动;调峰【作者】卫鹏;刘建坤;周前【作者单位】国网江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京211103;国网江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京211103;国网江苏省电力公司电力科学研究院,江苏南京211103【正文语种】中文【中图分类】TM614随着我国风力发电快速发展，风电总装机容量日益增大。

风电出力的随机性、间歇性、不可控等特性给电网运行带来较大的压力，电网运行时必需留有足够的备用电源和调峰容量［1］，以保证风电出力波动时系统的正常供电。

在风电场建设较为集中的地区，由于地理位置接近，各风电场的来风情况相近，风电场之间有功出力曲线会有一定的相似性［2］，当风速变化剧烈时，各风电场有功出力波动的叠加将导致风电总出力的波动幅度剧增，从而会对电网的调度带来更大的压力［3］。

目前，国内外对风电的研究多集中于风电的并网方式和对电网的稳定影响等方面［4］，对风电场之间的出力相关性和波动性等方面的研究较少，分析风电集中地区风电场的有功出力特性，研究其对电网可能造成的影响并制定有效的应对措施变得愈发紧迫且重要［5］。

江苏省风电场分布较为密集，其风电场有功出力具有典型性，文中以江苏沿海大规模风电场运行情况为范例，研究了风电集中地区的风电场有功出力特性，并对风电有功出力特性对电网的影响进行了分析。

华北电力大学科技成果——风电机组流固耦合机理
与特性研究
成果简介
风电机组是由风轮、塔架和机舱等部件组成的多自由度柔性系统，该柔性系统各部件与随机波动的自然风相互作用，形成了风电机组与湍流风场复杂的流固耦合系统。

深入研究风电机组与湍流风场流固耦合机理和动态响应特性是安全高效利用风能发电的关键科学问题。

在湍流风、风切变、阵风和偏航等非定常气动条件下，基于计算流体动力学（CFD）和计算结构动力学（CSD）对机组系统进行全三维流固耦合数值模拟，研究了叶片变形和塔架位移与气流的相互作用，分析了变形和位移对叶片和塔架载荷的影响，研究了叶片的动态失速特性，获得了不同气动条件下机组系统的振动响应特性和系统稳定性特征。

研究成果在陆上1.5MW、2MW和海上3MW、5MW风电机组的研究开发项目中应用。

第 36 卷第 2 期2023 年4 月振 动 工 程 学 报Journal of Vibration EngineeringVol. 36 No. 2Apr. 2023台风‑浪‑流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析柯世堂1，2，王硕1，2，赵永发1，2，张伟1，2，李晔3（1.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏南京 211106；2.南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，江苏南京 211106；3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）摘要: 为揭示海上台风⁃浪⁃流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性，以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象，采用Model Coupling Toolkit（MCT）建立中尺度WRF⁃SWAN⁃FVCOM（W⁃S⁃F）实时耦合模拟平台，分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风⁃浪⁃流的时空演变，再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片⁃塔筒⁃波浪面之间的干扰效应，提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。

结果表明：建立的中尺度W⁃S⁃F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用；塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主，在波浪干扰段以顺风向为主，并在低空波面附近表现出较强的脉动特征；A位置叶片最安全而B位置最危险；T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位，基底剪力最大达7.68×106量级，基底弯矩最大达5.2×108量级。

关键词:风荷载分布；台风⁃浪⁃流耦合模拟；海上风力机；中/小尺度嵌套；干扰效应中图分类号: TU312+.1； TK83 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）02-0299-12DOI：10.16385/ki.issn.1004-4523.2023.02.001引言与陆上相比，海上风力机运行环境更加恶劣，承受复杂多变的风况与海况，面临台风、巨浪、急流等极端复杂海洋环境的严峻挑战。

129中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2018.04 （上）1 流固耦合的原理相关研究陈海霞、祁文军、王良英等人认为在工业生产部门中，风机是一个非常重要的机械设备，对于工业系统的安全性而言，其运行的状况直接起着决定性作用。

郎进花对两级动叶可调式轴流风机失速演化过程的流固耦合相关理论进行了研究分析，并认为在风机中，叶轮振动是较为常见的一个故障，造成振动的因素非常多，诸如未有平衡的转子质量等。

胡强认为在设计和制造过程中，针对风机采取静力分析时，一般情况下只会对风机的离心力进行考虑，而未对风机的气动特性给予充分的重视，特别是因为气流压力脉动，从而造成的叶轮动应力问题的出现。

翟艳钊认为叶轮在具体进行运行的过程中，其结构会在交变载荷的作用下，可能会有疲劳破坏的情况发生，从而产生非常大的安全隐患问题发生。

而采取多物理场的数值模拟，则能够将此问题得到较好的解决。

邢景棠、崔尔杰认为流固耦合作为流体力学与固体力学交叉形成的学科，主要研究对象是变性固体在流场作用下会发生的变化，同时也包括固体变形对流场产生的影响，这也是流固耦合力学的重要特征之一。

王跃方、刘艳、郭婷认为变形固体会受流体载荷作用的影响发生相应的运动或变形，这一作用同时也会影响到流场，基于流固耦合分析的通风机叶轮动力特性进展李俊，徐洪海，裘科名，张璟，庄益娈（绍兴市上虞区产品质量监督检验所，浙江 绍兴 312300）摘要：通风机在工业生产中的应用是非常普遍的，无论是电力、石油还是化工等行业，通风机都有着十分重要的应用，通风机机械设备的运行，对企业生产的经济效益与安全都有重要作用。

本文对基于流固耦合分析的通风机叶轮动力特性进展进行研究分析，对国内外关于通风机叶轮转动力特性的相关研究理论进行分析，有助于我们更加全面的了解通风机的运行相关理论，并且对叶轮强度的计算方法也进行了相应的介绍，对通风机的实践应用有一定的积极意义。

海上浮式风机运动响应的时域耦合计算方法金飞;滕斌【摘要】建立了一种用于计算海上浮式风机运动响应的时域耦合方法,该算法主要由气动力模块、水动力模块、系泊模块和系统运动模块构成.气动力模块采用叶素动量法;水动力模块采用一阶势流理论,通过边界元法求解;系泊模块采用悬链线模型,用Chebyshev多项式进行拟合计算.对于系统运动模块,采用Runge-Kutta法求解.对OC3-Hywind spar风机进行了建模,对各模块及耦合模型的进行对比研究,验证了此耦合计算方法的准确性.并利用该方法计算和分析了此风机的运动响应及其对风机功率的影响.【期刊名称】《电网与清洁能源》【年(卷),期】2016(032)008【总页数】7页(P93-99)【关键词】浮式风机;时域耦合方法;叶素动量法;边界元法;悬链线模型【作者】金飞;滕斌【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】P751风力发电作为一种利用可再生、清洁能源的技术，已经得到国内外广泛研究和使用[1]。

目前风机的主要形式可分为陆上风机和海上风机2种。

而海上风机又可以分为海上固定式和海上浮式风机。

相比于陆上风机，海上风机摆脱了土地利用以及风场大小的限制[2]。

而由于近岸区域海岸线利用的限制，海上风机将逐渐走向深水区域，此时海上固定式风机的建造费用将剧增，不利于经济效益。

海上浮式风机的概念应运而生，它能适应深水环境，具有发电稳定、风能利用率高等优势，具有广阔的应用前景。

海上浮式风机由风机、浮体平台、锚链等多部分组成，受到风场、波浪、潮流等共同作用，受力非常复杂，在运动过程中可能出现失稳、倾覆等问题，所以需要对系统作整体的耦合分析。

耦合分析可以充分考虑结构各部分以及各力之间的相互影响，在计算结构运动、动力响应等方面能得到更准确的结果。

Withee（2004年）[3]使用FAST和ADAMS开发了全耦合动力响应程序，用来计算浮式风机在风场和波浪作用下的响应。

海上浮式风机平台弱非线性耦合动力响应分析胡天宇;朱仁传;范菊【摘要】为了准确有效地预报海上浮式风力机载荷与运动响应,本文针对系泊平台系统提出一种弱非线性间接时域方法.风力机平台遭遇的入射波作用力和静水恢复力直接在瞬时湿表面上积分计算获得;散射力采用线性势流理论处理;平台系泊力由悬链线方程计算得到.以OC3-Hywind spar风力机平台为对象进行了计算与分析,与线性方法相比,弱非线性方法得到的幅值响应算子(response amplitude operator ,RAO)更大,且能够反映波浪力和恢复力与平台响应的相互影响.由于考虑了瞬时湿表面的影响,弱非线性方法计算结果更为合理,可以更好地反映大波高海况的波浪力特征,因而更加适合高海况下的平台运动性能分析.%To accurately and effectively predict the load and motion responses of a floating offshore wind turbine , a weak nonlinear indirect time-domain method is proposed for the mooring platform system.This method obtains a nonlinear Froude-Krylov force and nonlinear restoring force on an instantaneous wetted surface.Scattering forces are obtained by linear potential flow theory , and mooring force is calculated by the Catenary equation.The computation model is the OC3-Hywind spar pared with linear method , the RAO obtained by weak nonlinear meth-od is larger.In addition, the method can also reflect the interaction between wave force , resilience, and platform response.Considering an instantaneous wetted surface makes the weak nonlinear method more reasonable .This method can better reflect the characteristics of the wave forces under a sea conditionwith large wave amplitude ;therefore, it is more suitable for platform motion performance analysis under a high sea state.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2018(039)007【总页数】6页(P1132-1137)【关键词】瞬时湿表面;弱非线性;浮式风力机平台;间接时域法;脉动源格林函数;弱散射【作者】胡天宇;朱仁传;范菊【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.32随着经济社会的发展，人类对能源的需求越来越大，风能作为一种清洁和可再生的能源极具开采价值。

波流作用下海上固定式风机基础的水动力性能数值模拟刘正浩;万德成【摘要】海上风机基础长期受到海流、波浪等环境荷载的交互作用,作业难度较大,研究风机基础的水动力特性可为其设计及应用提供重要参考.文中基于自主研发的船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对一座固定式高桩承台风机基础在波流作用下的水动力参数进行数值模拟,研究了波浪与海流联合作用时,该风机基础在不同水深、不同波高条件下的受力、表面压力以及波面爬升现象,并与上海交通大学海洋工程国家重点实验室的模型试验结果进行比较,计算结果显示naoe-FOAM-SJTU求解器可以很好地模拟波流联合作用下风机基础的水动力特性.%Since wind turbine foundation is always under interaction of current, waves and other environmental loads,analysis of hydrodynamic performance is of great importance for its design and application.In this paper, a self-developed CFD solver named naoe-FOAM-SJTU is adopted to numerically simulate the hydrodynamic per-formance of a pile wind turbine foundation under the interaction of wave-current combinations.The forces and the flow field of the pile wind turbine foundation under different water depths and wave heights are presented and an -alyzed.The results compared with model test results show the naoe-FOAM-SJTU solver is applicable and reliable in the study of hydrodynamic performance of wind turbine foundation.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(031)005【总页数】7页(P555-560,566)【关键词】高桩承台风机基础;波流作用;naoe-FOAM-SJTU求解器;水动力性能【作者】刘正浩;万德成【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O35近年来,海上风力发电逐渐成为全球风电产业发展的新方向.目前,商业化的海上风力发电场主要应用于浅水区域(水深小于30 m),并且多采用固定式基座．在海洋工程领域,高桩承台风机基础由于具有抗弯强度高、施工周期短、适应性强、成本相对较低等特点而得到广泛应用．高桩承台风机基础一般是由群桩和连接桩顶的承台组成,其所受波浪和海流载荷对风机基础的安全性及使用寿命有着重要影响,因此,研究高桩承台风机基础的水动力特性对于工程应用具有重要意义．目前,研究海上固定式风机基础水动力特性的方法主要有实地监测、模型试验、理论分析和CFD模拟等．实地监测所测得的数据比较可靠,可以作为检验依据,但其通常是针对已有风机基础,对新型风机基础的设计与应用指导意义不大．模型试验一般是在海洋工程水池中进行的,通过采用造波机、循环造流系统、水深调节等系统研究风机基础在波流作用下的水动力响应．文献[1]通过实验分析了纯波及波流共同作用时,风机基础惯性力系数和拖曳力系数的变化规律．文献[2-3]对东海大桥桩基结构的波流力进行了模型试验研究,分析了不同水深下不规则波与均匀流共同作用于小尺度单桩以及群桩的水动力特征．文献[4]针对不规则波中高桩承台进行了物理模型试验,较为系统地分析了此风机基础的群桩水动力特性,并研究了桩柱波浪力变化规律．理论分析在风机基础水动力特性研究中也有重要应用.文献[5]利用时域高阶边界元法研究了波流与结构物的相互作用问题．文献[6]基于线性势流理论和Morison公式,研究了规则波中典型桩基承台结构的波浪力计算问题,并分析了承台对桩基波浪力的影响,以及水深、桩柱相对中心距离对承台效应系数的影响．然而,随着研究不断地深入,理论分析方法受到了很大的限制,而模型试验也需要较高的成本．近年来,随着计算机技术的快速发展,CFD技术由于成本较低,并且可以得到较为详细的流场信息等优点,被广泛用于海上风力机固定式基座的水动力学性能分析．文献[7]在开源软件OpenFOAM的基础上,利用VOF(Volume of Fluid)自由面处理技术研究了破碎波和垂向的波浪载荷对固定式海上风力机基座的影响．文献[8]利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU软件分别研究了规则波和孤立波对东海大桥风机基础的水动力特性的影响．文中采用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器对一座固定式高桩承台基础在波流作用下的水动力性能进行数值模拟分析,研究波浪与海流同向工况下,该风机基础在不同水深、不同波高下的受力、流场信息及波面爬升现象,并与现有模型试验结果进行对比分析．1.1 流体控制方程对于非定常、不可压的黏性流体,采用流动的控制方程为RANS(Reynolds-averaged navier-Stokes)方程:式中：U和Ug分别为流场速度和网格节点速度；pd=p-ρg·x为流场动压力,p是总压力,ρ是流体密度；μeff=ρ(v-vt)为动力黏性系数；fσ为表面张力,只在界面处起作用,在非界面处为零；fs是数值造波中消波区的源项,仅对消波区有效．1.2 naoe-FOAM-SJTU求解器naoe-FOAM-SJTU求解器[9]是基于开源平台OpenFOAM自主开发的船舶与海洋工程CFD求解器．该求解器包含数值造波与消波模块、六自由度运动模块和动态变形网格模块等,通过求解流场和结构物六自由度运动方程,实现对船舶或者海洋工程结构物[10-15]水动力性能的有效预报．naoe-FOAM-SJTU求解器中自由面的处理采用了OpenFOAM中自带的VOF 法．在对自由面的处理过程中,需要引入体积分数α,用来表示网格内流体占有体积与整个网格体积的比重．α=0表示该网格内没有流体,0<α<1表示自由面,α=1表示该网格单元被流体充满．自由面边界的法向方向通过α函数的梯度来表示,所以网格的α函数值及其梯度值共同决定了网格单元中自由面的位置．naoe-FOAM-SJTU求解器可以实现推板造波、摇板造波、速度入口边界造波,用于处理不同的水动力问题．因为文中需要同时考虑波和流的情况,因此采用速度入口边界造波．速度入口边界造波方法通过在入口边界上设置波面位置和流体速度实现造波．由于文中研究的是浅水工况下风机基础水动力性能,浅水工况需要考虑波浪破碎、砰击等复杂非线性问题,所以一般采用高阶波浪理论,根据波浪参数之间的关系(波浪色散关系),选取斯托克斯五阶波[5]作为数值计算的波浪模型．为了避免波浪反射对计算精度的影响,需要在出口边界前设置海绵层阻尼消波区,通过在动量方程中增加一个源项fs=-ρμs(U-Ucorr)，使在特定区域内的自由波面逐渐消弱至水平面,从而避免在出口边界处形成反射．文中采用的消波阻尼源项为:式中：x0为消波区的起始位置；Ls为消波区长度;αs为人工粘性系数;Ucorr为修正系数,主要进行质量修正,保证计算过程中的质量守恒．naoe-FOAM-SJTU求解器采用可以处理任意多面体结构网格的有限体积法(FVM)离散控制方程,通过调用k-ω SST、k-ε等湍流模式来封闭湍流方程;在求解过程中采用PISO算法实现速度场和压力场的耦合求解．2.1 模型及计算网格选取一座高桩承台风机基础作为研究对象,高桩承台结构主要由塔架、承台和8根桩柱组成．承台高程28 m,直径14.5 m,桩柱直径1.2 m,在承台半径R=4.3 m的圆周上均匀分布,斜度为6 ∶1．采用ProE软件进行建模,模型的缩尺比为1 ∶30,模型如图1．网格的划分是利用OpenFOAM自带的snappyHexMesh工具实现的,首先运用PointWise软件绘制背景网格,再利用snappyHexMesh工具划分平台表面的网格．计算域大小为:-5 m<x<20 m,-7.5 m<y<7.5 m,-h<z<5 m,h是水深,计算域如图2．数值水池左侧入口为入射波浪以及均匀流边界,右侧选取一段作为海绵消波区,用来抵消出口处的波浪反射,风机基础表面采用无滑移固壁条件．划分网格时对自由液面以及风机基础表面部分进行局部细化,以便精确捕捉自由液面和处理基础表面边界层内速度等物理量的剧烈变化．一个波高范围内的网格数量大于20个,边界层第一层网格厚度约为0.003 m,模型表面y+控制在50左右．整个网格量大约为200万,不同水深情况下网格数量略有变化,图3为计算整体网格、风机基础附近局部网格以及风机基础表面网格．2.2 计算工况对高桩承台风机基础模型在波流同向载荷下进行了数值模拟,计算了实际尺度为25.96、21.9和17.61 m 3种典型水深下风机基础的水动力特性,对应的模型尺度水深分别为0.991、0.856和0.713 m．还模拟了25.96 m水深下,波高分别为8.7和6.37 m时,波浪对风机基础的影响,对应的模型尺度波高为0.29和0.212 m．模型尺度水流大小均0.316 m/s．工况具体参数如表1．在分析固定式风机基础在波流联合作用下的水动力性能时,除了分析风机基础整体受力外,还需要对风机基础上危险点位置的表面压力进行探测,物理实验和数值模拟都在风机基础模型表面设置了15个压力测试点,这些压力探测点都相对固定在风机基础上,其位置如图4．3.1 数值计算结果验证为验证数值模拟的可靠性,首先选取典型工况的数值模拟结果与模型试验结果进行比较．图5为工况5(即水深0.991 m,流速0.316 m/s,波高0.29 m)下风机基础x方向受力以及典型位置压力测试点的数值模拟与模型试验结果的对比．从图中可以看出,高桩承台风机基础在x方向受力及局部压力测试点的计算结果与实验结果吻合较好,文中CFD方法预报的x方向受力最大值与模型试验结果一致,从图中还可以看出,模型试验在受力最小值附近出现了小峰值,文中CFD方法也预报出了这个峰值变化．从图5(b)～(d)中可以看出,对于典型位置压力的探测,计算结果与模型试验结果也可以很好地吻合,这说明文中CFD方法可以很好地预报风机基础各位置的砰击压力．图6为波峰时刻风机基础周围波面情况的数值模拟及模型试验结果．从图中可以看出,文中CFD方法可以很好地模拟波流作用下风机基础周围自由液面变化情况,此刻,数值模拟的风机基础周围的波浪爬高的最大位置与模型试验的波浪爬高最大位置是相近的．由于风机基础对波浪的反射作用,波浪发生了明显的破碎现象,通过与模型试验的对比,可以看到,文中CFD方法可以较为精确地捕捉波浪破碎现象,同时可以准确地预报波浪爬升的最大位置．这也验证了计算结果的可靠性与准确性．3.2 水深对高桩承台水动力特性的影响高桩承台风机基础受力在结构分析中十分重要,基础主要受海流载荷与波浪载荷的力．图7(a)为高桩承台风机基础在不同水深下的受力情况的时历曲线．从图中可以看出,不同水深条件下风机基础所受到的x方向的正向力差别很小,因此,在浅水条件下,水深对风机基础的正向受力影响并不大,但是风机基础在x方向负向受力差别较大,且水深越深,风机基础所受到的负向力越大．由于浅水效应的影响,3种水深条件下,风机基础在x方向所受的正向力都比负向力大得多．当水深为0.991 m时,风机基础在x方向所受的力在波峰处的最大值是波谷处的最小值绝对值的3.6倍左右．上文提到,在进行数值计算时,风机基础表面布置了15个压力探测点．图7(b)～(d)展示了不同水深条件下,3个典型位置(P1、P3、P11)的压力探测点的砰击压力情况．从图中可以看出,不同位置的压力探测点都受到了周期性的脉冲压力,并且不同位置的压力值也不相同,测压点的压力由下而上逐渐减小．对于最高位置的P3压力探测点,可以发现,在3种水深条件下都出现了周期性压力为零的情况,说明期间P3压力探测点在水面以上,并且水深越浅,P3压力探测点在水面以上的时间越长．从P1、P3、P11 3个压力探测点的砰击压力时历曲线还可以看出,水深越深,压力探测点的砰击压力越大．3.3 波高对高桩承台水动力特性的影响图8(a)为水深0.991 m时,不同波高条件下风机基础的受力情况．从图中可以看出,波高的改变对风机基础受到的x方向的正向力影响较大,波高较大的入射波对风机基础的所受正向力也更大．从图中还可以看出,波高的改变对风机基础受到的x方向的负向力影响并不大,这两个波高条件下,x方向的负向力几乎相等．图8(b)～(d)为不同波高条件下,3个典型位置(P1、P3、P11)压力探测点的砰击压力情况．不同位置的压力探测点都受到了周期性的脉冲压力,波高越大,压力探测点所受的砰击压力越大．3.4 波浪爬高与表面压力图9、10分别为波高为0.29 m和0.212 m条件下，一个波浪周期内4个不同时刻风机基础表面压力及自由面图．从图中可以观察到在两个波高条件下,风机基础都发生了上浪现象,并且波高越大,上浪现象越明显．由于风机基础对波浪存在反射作用,在图9、10中均可以观察到明显的波浪破碎现象,并且波高越大,波浪破碎现象越严重,这也说明,波高越大,风机基础对波浪的反射作用越明显．从图中还可以看到,某些时刻承台会在水面之上,此时P3压力探测点测得的压力为零,这与图7中观察的结果一致．从图9、10中还可以观察到一个周期内不同时刻风机基础表面压力变化情况．从图中可以看出,在一个周期内,风机基础表面压力与其被水淹没状态有关,当波峰到达风机基础表面时,风机基础的表面压力最大,当水脱离承台时,风机基础会受到一个负冲击压力的作用．文中基于自主开发的船舶与海洋工程CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,数值模拟了一座固定式高桩承台风机基础在波流作用下的水动力特性．首先将典型工况的数值模拟结果与模型试验结果进行了对比分析,可以发现文中数值模拟采用的naoe-FOAM-SJTU求解器能有效地模拟高桩承台风机基础在波流作用下的载荷情况,并可以精确地捕捉风机基础周围的波浪爬升、破碎以及周围流场信息．其次,在波浪与海流同向的条件下,研究了该风机基础在0.991、0.856和0.713 m 3种典型水深条件下的受力和流场信息等,研究发现,3种水深对该风机基础水平方向的受力影响不大,但是对砰击压力的影响很大,水深越深,风机基础受到的砰击压力越大．通过研究同一水深,不同波高条件下风机基础的受力、表面压力等,可以发现,波高的改变对风机基础的受力等影响都很大,并且波高越大,观察到的波浪破碎现象越严重,这也说明,波高越大,风机基础对波浪的反射作用越明显．文中计算结果展示了naoe-FOAM-SJTU求解器可以很好地模拟波流联合作用下风机基础的水动力特性,并提供一些有工程应用参考价值的分析结论．*通信作者：万德成(1967—), 男, 教授, 研究方向为船舶水动力学.E-mail:**************.cn【相关文献】[ 1 ] VENUGOPAL V, VARYANI K S, WESTLAKE P C. Drag and inertia coefficients for horizontally submerged rectangular cylinders in waves and currents[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part M: Journal of Engineering for the MaritimeEnvironment, 2008, 223(1): 121-136. DOI:10.1243/14750902jeme124.[ 2 ] 兰雅梅, 薛雷平, 刘桦, 等. 东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究——第一部分:作用于单个小尺度桩柱上的波流力[J]. 水动力学研究与进展：A辑, 2004, 19(6): 753-758.DOI:10.3969/j.issn.1000-4874.2004.06.009.LAN Yamei, XUE Leiping, LIU Hua, et al. Experimental studies on hydrodynamic loads on piles and slab of Donghai Bridge part I: hydrodynamic forces on a single pile in wave-current combinations[J]. Journal of Hydrodynamics：A，2004, 19(6): 753-758.DOI:10.3969/j.issn.1000-4874.2004.06.009.(in Chinese)[ 3 ] 兰雅梅, 刘桦, 皇甫熹, 等. 东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究——第二部分:作用于群桩及承台上的波流力[J]. 水动力学研究与进展：A辑, 2005, 20(3): 332-339.DOI:10.3969/j.issn.1000-4874.2005.03.009.LAN Yamei, LIU Hua, HUANG Fuxi, et al. Experimental studies on hydrodynamic loads on piles and slab of Donghai Bridge-Part II: HYdrodynamic forces on pile array and slab in wave-current combinations[J]. Journal of Hydrodynamics：A，2005, 20(3): 332-339. DOI:10.3969/j.issn.1000-4874.2005.03.009.(in Chinese)[ 4 ] 雷欣欣, 孙大鹏, 徐雪蛟, 等. 作用在高桩承台上的不规则波波浪力试验研究[J]. 水道港口, 2013, 34(4): 277-284. DOI:10.3969/j.issn.1005-8443.2013.04.001.LEI Xinxin, SUN Dapeng, XU Xuejiao, et al. Experimental study of irregular wave force loads on high rise pile platform[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2013, 34(4): 277-284. DOI:10.3969/j.issn.1005-8443.2013.04.001.(in Chinese)[ 5 ] 刘珍, 滕斌, 宁德志, 等. 波流与结构物相互作用的数值模拟[J]. 计算力学学报, 2010, 27(1): 82-87.LIU Zhen, TENG Bin, NING Dezhi, et al. Time-domain simulation of the wave-current action on 3D bodies[J]. Chinese Journal of Computational Mechanics, 2010, 27(1): 82-87.(in Chinese)[ 6 ] 姚文伟, 刘桦. 规则波中圆形承台对桩基波浪力的影响[J]. 力学季刊, 2009, 30(3): 357-362. YAO Wenwei, LIU Hua. Effect of circular slab for wave loads on piles in regular waves[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2009, 30(3): 357-362. (in Chinese)[ 7 ] BREDMOSE H, JACOBSEN N G. Breaking wave impacts on offshore wind turbine foundations: focused wave groups and CFD[J]. 29th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering: Volume 3, 2010. DOI:10.1115/omae2010-20368.[ 8 ] ZHOU H, CAO H J, WAN D C. Numerical predictions of wave impacts on the supporting structures of Shanghai Donghai-Bridge offsho re wind turbines[C]∥In The Twenty-third International Offshore and Polar Engineering Conference, Anchorage, 2013-6.30～7.05. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2013: 216-224.[ 9 ] SHEN Z R, WAN D C. An irregular wave generating approach based on naoe-FOAM-SJTU solver[J]. China Ocean Engineering,2016,30(2):177-192.DOI:10.1007/s 13344-016-0010-1.[10] SHEN Z R, WAN D C. An irregular wave generating approach based on naoe-FOAM-SJTU solver[J]. 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海冰作用下锥体结构对近海桩柱式风力机结构动态响应影响许子非;叶柯华;李春;丁勤卫;杨阳【摘要】基础结构的稳定是海上风力机安全运行的根本保障,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于Ralston理论建立海冰载荷,同时并考虑湍流风作用,研究安装不同锥角的锥体结构风力机结构动态响应并与未安装锥体结构的风力机进行对比,结果表明,锥体结构能有效降低海冰载荷,减小塔顶加速度及塔顶位移.当锥体角度由70°减小至40°时,海冰载荷减小83.8％,塔顶平均加速度减小43.1％.较之于无锥体结构时,安装40°锥体结构使得塔架一阶固有频率与风轮一阶固有频率处的塔顶位移幅值减小45％与85％.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)022【总页数】7页(P225-230,254)【关键词】风力机;锥体;海冰载荷;动态响应;桩柱式基础【作者】许子非;叶柯华;李春;丁勤卫;杨阳【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TK83随着化石能源危机日益严峻，风能因储量大、分布广及开发利用技术成熟等优点已备受各国重视。

2016年，全球风电新增装机容量达54.6 GW，其中我国占42.8%[1]。

随着风电产业高速发展，陆地优质风场日趋饱和，海上风能因其风速稳定、风能密度大及湍流度小等优点，成为当前研究及发展重点[2]。

按离岸距离或海水深度，海上风力机分近海桩柱式与远海漂浮式[3]。

较之于漂浮式风力机，桩柱式风力机置于近海岸，不仅利于安装维护，且其结构更加稳定。

严寒海域作为风力机可能的在役环境，其基础结构遭受海冰撞击不可避免[4],严重威胁着作为细长弹性体塔架的安全。

海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究①曲晓奇,李红涛,唐广银,杜海越,杨林林(中国船级社海洋工程技术中心,天津 300457)摘要 随着海上浮式风电技术的发展,我国大功率漂浮式海上风力机组开始走向工程示范应用㊂由于风机厂商对上部风机结构参数保密,针对实际工程项目中的漂浮式风力机进行数值仿真分析具有诸多挑战和难度㊂本文以实际工程项目为例,研究漂浮式海上风力机在数值仿真过程中的关键技术㊂通过建立等效推力模型等手段,实现工程样机的数值建模并进行典型工况的动力响应分析㊂本文的研究成果可以有效解决实际工程项目中浮式风力机数值模型建立的难点,对促进我国风电产业技术发展,加速我国海上风电商业化进程具有重要意义㊂关键词 海上浮式风力机;数值仿真;等效推力模型;动力响应㊂中图分类号:P 752;T M 614 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)007207d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.12R e s e a r c h o n K e y T e c h n o l o g i e s o f D y n a m i c A n a l y s i s a n d N u m e r i c a l S i m u l a t i o n f o r t h e F l o a t i n g Of f s h o r e W i n d T u r b i n e Q U X i a o q i ,L I H o ng t a o ,T A N G G u a n g y i n ,D U H a i yu e ,Y A N G L i n l i n (O c e a n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e t e c h n o l o g y ,t h e e n g i n e e r i n g p r o j e c t s o f l a r ge -s c a l ef l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e h a s s t a r t e d .B e c a u s e t h e m a n u f a c t u r e r s k e e p th e p a r a m e t e r s o f t h e w i n d t u r b i n e c o n f i d e n t i a l ,t h e r e a r e m a n y c h a l l e n g e s i n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s i n p r a c t i c a l e ng i n e e r i n g p r o j e c t s .I n thi s p a p e r ,t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n t h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t w a s i n v e s t i g a t e d .T h r o u g h t h e e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ,a n u m e r i c a l m o d e l o f r e a l f l o a t i n g w i n d t u r b i n e w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e d y n a m i c s r e s p o n s e s u n d e r a t y p i c a l l o a d c a s e w a s a n a l yz e d .B a s e d o n t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h i s s t u d y ,t h e d i f f i c u l t i e s i n e s t a b l i s h i n g t h e n u m e r i c a l m o d e l o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s c a n b e w e l l s o l v e d .I t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e i n p r o m o t i n g t h e t e c h n i c a l d e v e l o pm e n t a n d a c c e l e r a t i n g t h e c o m m e r c i a l i s a t i o n o f C h i n a s f l o a t i n g w i n d t u r b i n e i n d u s t r y.K e y wo r d s f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ;d y n a m i c r e s p o n s e 0 引 言欧洲的海上风电产业起步较早,随着浮式风力机技术趋于成熟,现已逐步在全世界范围内得到广泛研究和应用㊂我国浮式风力机的研究约起步于十年之前,相对较晚,尚未得到商业化应用㊂目前,常用的海上浮式风力机数值仿真软件大多由欧美国家的研究机构开发㊂表1列举了海上浮式风电领域常用的数值仿真软件及其所采用的分析理论㊂①作者简介:曲晓奇(1992 ),女,博士研究生,工程师,主要从事海上浮式风力机动力响应分析方面的研究㊂E -m a i l :x q qu @c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃73 ㊃表1 各研究机构开发的海上浮式风力机耦合计算程序T a b .1 P r o g r a m s f o r f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e c o u p l e d c a l c u l a t i o n d e v e l o p e d b y va r i o u s r e s e a r c h i n s t i t u t i o n s 程序研究机构气动力模块水动力模块结构动力学模块系泊模块F A S T[1]N R E L(B E M 或G D W )+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S/F E M G S M 或Q S M或F E M G H .B L A D E D [2]G HB E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S G S M 或Q S M 或F E M A D A M S [3]M S C +N R E L +L U HB E M /G D W+D S T D M E 或T D P F +M DM B S Q S /U DS I M A [4]M A R I N T E K B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM B S /F E MG S M 或Q S M或F E MH A W C 2[5]R I S O D T U B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M D M B S /F E M G S M 或Q S M或F E MO r c a F l e x[6]O r c i n aC o u pl e d t o F A S T T D M E 或T D P F +M D C o u pl e d t o F A S T G S M 或Q S M 或F E MB E M :B l a d e E l e m e n t M o m e n t u m ,叶素动量理论D I :D yn a m i c I n f l o w ,动态入流C F D :C o m p u t a t i o n a l F l u i d D yn a m i c s ,计算流体动力学M B S :M u l t i b o d y S ys t e m ,多体系统G S M :G l o b a l S t i f f n e s s M o d e l,总体刚度模型T D :T i m e D o m a i n ,时域U D :U s e r D e f i n e d,用户自定义G D W :G e n e r a l i z e d D yn a m i c W a k e ,广义动态尾涡D S :D yn a m i c S t a l l ,动态失速F V M :F r e e V o r t e x M o d e l,自由尾涡模型F E M :F i n i t e E l e m e n t M e t h o d ,有限元方法Q S M :Q u a s i -s t a t i c M o d e l,准静态模型M E :M o r i s o n,方程M D :M o r i s o n D r a g,莫里森拖曳项P F :P o t e n t i a l F l o w ,势流理论 尽管目前针对浮式风力机数值仿真软件的开发已经相对成熟,但是,由于我国海上浮式风电工程项目还处于起步阶段,实际工程样机数量较少,对于实际风力机的数值仿真仍存在一定的问题㊂如何在实际工程项目中,建立浮式风力机的数值模型,使其可以准确反映工程样机的真实动力响应特性,仍然需要深入的研究㊂本文首先介绍了浮式风力机数值仿真的基本理论和方法;然后,结合某实际工程项目,详细描述了浮式风力机数值模型的建立过程以及涉及的关键技术;最后,基于本文建立的浮式风力机数值模型进行动力响应分析,验证本文建模方法的可靠性㊂1 浮式风力机数值模型建立方法目前,对于风力机气动载荷的计算大多采用叶素动量理论[7],尽管该方法无法给出叶片翼型附近的流场信息,但是,其计算简便效率高,广泛应用于浮式风力机工程计算㊂水动力载荷的分析则主要基于三维势流理论,采用海洋工程领域常用的水动力分析软件求解浮体水动力系数,进而进行时域水动力分析㊂由于三维势流理论无法考虑浮体的黏性效应,软件采用M o r i s o n 方程的拖曳项模拟浮式风力机的黏性阻尼㊂浮式风力机系统结构形式复杂,既包括了叶片㊁塔柱和传动轴等柔性构件,又包括了机舱和浮式基础等刚性结构㊂因此,不同数值仿真软件对于浮式风力机系统结构动力学模型的建立区别较大㊂目前,对于浮式风力机整体结构采用的建模方法主要有多体方法和有限元方法,对于叶片和塔柱等弹性体动力响应的求解则主要采用模态法和有限元方法㊂浮式风力机系泊系统的模拟则以准静态悬链线方法和有限元方法为主㊂其中,准静态方法基于悬链线方程求解系泊锚链张力,无法考虑锚链的动态效应㊂而有限元方法则可以考虑锚链自身动态效应的影响,精度相对更高㊂2 海上浮式风力机数值仿真模型的建立2.1 浮式风力机简介本文以某浮式风力机工程项目为例,针对海上浮式风力机工程样机在数值仿真过程中的关键技术进行研究㊂浮式风力机系统的结构形式如图1所示,整个系统上部设置7.25MW 风力发电机,底部采用四立柱半潜型浮式基础㊂系泊系统的布置情况如图2所示,在每个边立柱的底部设置3根系泊锚链,采用3ˑ3的悬链线式系泊㊂㊃74㊃海洋工程装备与技术第10卷图1 浮式风力机结构示意图F i g .1 F l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s t r u c t u re 图2 浮式风力机系泊系统布置图F i g .2 F l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e m o o r i n g s ys t e m a r r a n ge m e n t 2.2 风力机结构模型的建立本文采用美国可再生能源实验室开发的O pe n F A S T 软件,对浮式风力机系统进行数值仿真㊂该软件基于K a n e 方程建立风力机系统刚柔耦合动力学模型㊂对于叶片和塔柱等弹性结构,通过模态法求解其结构变形和动态响应㊂对于塔柱,基于模态叠加方法㊂任意时刻t ,塔柱上到塔底距离为x 的某一点的横向位移u (x ,t )可以表示为[8]u (x ,t )=ðna =1ϕa (x )q a (t )(1)其中,ϕa (x )代表模态a 的固有振型函数,它仅是x 的函数,与时间无关;q a (t )代表模态a 的广义坐标,与时间t 有关;n 代表选取的模态个数,即自由度数;每一个固有振型对应一个固有频率ωa 和相位ψa ㊂当已知塔柱的各阶固有振型函数时,还需要n 个参数来定义塔柱的变形情况㊂除了塔柱的固有振型函数外,还可以选择n 个其他函数φb 来表示塔柱的变形:u (x ,t )=ðn +p -1b =pφb (x )c b (t )(2)其中,φb (x )代表形函数;c b (t )是与之对应的广义坐标;参数p 按计算方便选取㊂根据R a y l e i gh -R i t z 法,塔柱的各阶固有振型函数ϕa (x )也可以表示成形函数φb (x )的线性组合:ϕa (x )=ðn +p -1b =pC a ,b φb (x )(3)其中,C a ,b 代表b 阶形函数对a 阶固有振型的比例常数㊂对于风力机塔柱,可以选择指数函数作为形函数,于是b 阶形函数表示为φb (x )=xRb(4)其中,R 表示塔柱的高度㊂由于风力机塔柱在底部固支,即塔柱底部位移和转角均为零,因此参数p 必须大于等于2,本文计算中取p =2㊂根据塔柱的相关设计参数,利用B M o d e s 软件基于广义H a m i l t o n 原理,求解塔柱前后和侧向前两阶模态,再拟合成幂指函数,输入O p e n F A S T 中㊂2.3 等效推力模型的建立由于缺少风力机叶片翼型参数的详细设计资料,以及控制系统的相关设计参数,因此,无法准确模拟风力机系统的气动性能㊂本文建立风力机的等效推力模型来计算风轮的气动载荷㊂图3所示为叶片上某一叶素位置处的速度和气动载荷示意图㊂根据叶素动量理论,叶片上某一叶素d r 处的推力和转矩可以表示为d T =B 12ρV 2t o t a l (C l c o s ϕ+C d s i n ϕ)c d r (5)d Q =B 12ρV 2t o t a l (C l s i n ϕ-C d c o s ϕ)c r d r (6)其中,d T 和d Q 分别表示叶素的推力和转矩;B 表示叶片数量;ρ表示空气密度;V t o t a l 表示入流速度;C l 和C d 分别表示升力系数和阻力系数;ϕ表示入流速度与叶素旋转平面的夹角;c 表示叶素的弦长㊂第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃75 ㊃(a)叶素速度图(a )L e a f v e g e t a t i o n v e l o c i t y ch a rt (b)叶素气动载荷图(b )L e a f e l e m e n t pn e u m a t i c l o a d c h a r t 图3 叶素翼型示意图[9]F i g.3 B l a d e e l e m e n t a i r f o i l [9]根据公式(5)和(6)叶片上某一叶素位置处的风轮推力主要与升力系数C l ㊁阻力系数C d ㊁来流与弦线的夹角ϕ以及叶片的弦长c 有关㊂以N R E L5MW 风力机叶片气动参数为基础,通过调整叶片的弦长和扭转角以及控制系统的相关参数改变风轮推力,直至与风机厂商提供的风轮推力相一致㊂采用上述方法建立风力机的等效推力模型,图4所图4 不同风速下风轮推力对比结果F i g .4 C o m pa r i s o n o f r o t o r t h r u s t f o r c e u n d e r d i f f e r e n t w i n d s pe e d 示是采用等效推力模型计算的不同风速下风轮推力与风机厂商提供的数据对比结果㊂相较于直接将风轮推力施加到塔柱顶部,采用这种方式的优点是可以考虑叶片旋转效应的影响㊂2.4 水动力模型的建立在A QW A 中建立浮式基础的水动力模型如图5所示㊂基于三维势流理论计算浮式基础的水动力系数,包括静水恢复力系数㊁附加质量和阻尼系数以及一阶和二阶波浪载荷传递函数,其中0ʎ入射方向下一阶波浪载荷传递函数的计算结果如图6所示㊂图5 浮式基础水动力模型F i g .5 H y d r o d y n a m i c m o d e l o f f l o a t i n g pl a t f o rm (a)纵荡方向一阶波浪载荷传递函数(a )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n gi t u d i n a l d i r e c t i o n (b)垂荡方向一阶波浪载荷传递函数(b )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e p e n d u l u m d i r e c t i o n㊃76㊃海洋工程装备与技术第10卷(c)纵摇方向一阶波浪载荷传递函数(c)F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n g i t u d i n a l r o c k i n g d i r e c t i o n图6波浪入射方向为0ʎ时的一阶波浪载荷传递函数F i g.6F i r s-o r d e r w a v e f o r c e t r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e d i r e c t i o no f0d e g r e e按照公式(7)~(9)计算浮式基础受到的波浪载荷㊂由于势流理论无法考虑浮式基础的阻尼效应,因此在O p e n F A S T软件中建立M o r i s o n模型,通过M o r i s o n方程中的拖曳力模拟浮式基础的阻尼效应㊂F w a v e_1(t)=R eðM i=1ηi H1(ωi)=R eðM i=1a i e x p i(ωi t+φi)H1(ωi)(7) F w a v e_2s(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiηj H2s(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi+ωj)t+φi+φj)]H2s(ωi,ωj)(8)F w a v e_2d(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiη*j H2d(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi-ωj)t+φi-φj)]H2d(ωi,ωj)(9)其中,F w a v e_1(t)表示一阶波频载荷;F w a v e_2s(t)和F w a v e_2d(t)分别表示二阶和频㊁差频波浪载荷;ηi表示波面升高;a i㊁ωi和φi分别表示波幅㊁频率和相位;H1(ωi)表示一阶波浪载荷传递函数;H2s(ωi,ωj)和H2d(ωi,ωj)分别表示二阶和频与差频波浪载荷传递函数㊂2.5系泊系统分析模型的建立系泊系统的模拟采用集中质量模型,将锚链离散成多个质量点,不同质量点之间通过弹簧阻尼结构连接,如图7所示㊂某一质量点i的运动控制方程如下[10]:图7系泊锚链数值模型[10]F i g.7 N u m e r i c a l m o d e l o f m o o r i n g l i n e s[10] (m i+a i)r㊃㊃=T i+(1/2)-T i-(1/2)+C i+(1/2)-C i-(1/2)+W i+B i+D p i+D q i(10)其中,(m i+a i)r㊃㊃代表惯性项,m i和a i分别表示节点i的质量和附加质量;(T+C)i+(1/2)和(T+ C)i-(1/2)分别表示r i与r i+1以及r i与r i-1之间的内部刚度和阻尼;W i表示重力;B i表示浮力;D p i和D q i分别表示节点i受到的轴向和切向波浪力,采用M o r i s o n方程计算:D p i=12ρw C d n d l(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(11)D q i=12ρw C d tπd l(-r㊃i㊃q^i)q^i-(r㊃i㊃q^i)q^i(12)第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃77 ㊃在数值模拟过程中,由于系泊锚链结构形式复杂连接构件过多,对于连接构件无法直接进行模拟㊂将连接构件转化成等质量的杆单元,设置较小的时间步长,进行数值仿真,以保证计算的收敛性㊂图8所示是在不同浮体位移下计算的系泊张力,即浮式风力机系泊系统刚度曲线㊂图8 系泊系统刚度曲线F i g .8 M o o r i n g s ys t e m t e n s i o n 3 动力响应分析采用本文第2节介绍的相关理论和方法,建立海上浮式风力机数值仿真模型,计算极端停机工况下浮式风力机的运动响应㊂环境载荷方向的定义如图9所示㊂环境参数具体数值为:50年一遇风速60m /s ;有义波高12m ,谱峰周期14.4s,谱峰因子2.2;表面流速2.18m /s ㊂风浪方向均为0ʎ,表面流向为-180ʎ,模拟时间为3600s ㊂计算结果如图10所示㊂图9 环境载荷方向定义坐标系F i g .9 C o o r d i n a t e s ys t e m o f e n v i r o n m e n t a l l o a d s d i r e c t i o n d e f i n i t i on(a)纵荡(b)横荡(c)垂荡(d)横摇㊃78㊃海洋工程装备与技术第10卷(e)纵摇(f)艏摇图10 极端停机工况下浮式风力机运动响应F i g .10 D y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e u n d e r e x t r e m e p a r k e d l o a d c o n d i t i o n从图10中可以看出,在50年一遇极端停机工况下,浮式基础具有较大的动态响应,这是由波浪载荷引起的㊂此时风机处于停机状态,叶片变桨,风轮受到的气动载荷相对较小,垂荡和纵摇的均值都处于一个较小的值㊂从计算结果来看,在极端停机工况下,浮式风力机的摇摆角度在10ʎ范围内,符合设计要求,具有足够的安全性4 结 论本文主要介绍了在实际工程项目中建立海上浮式风力机数值仿真模型的关键技术,包括结构模型㊁等效推力模型㊁水动力模型以及系泊系统模型的相关理论和方法㊂本文提出的数值模型建立方法,可以有效解决风力机叶片翼型参数缺失带来的建模问题㊂最后,通过模拟50年一遇极端工况下浮式风力机的动态响应,验证本文建模方法的可靠性㊂参考文献[1]J o n k m a n J M ,B u h l J R M L .F A S T U s e r s G u i d e [R ].G o l d e n ,C O :N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y,2005.[2]D N V G L .B l a d e d [E B /O L ].h t t p s ://w w w .d n v g l .c o m /s e r v i c e s /b l a d e d -3775.[3]E l l i o 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