立柱截面形状对半潜式平台涡激运动特征影响试验研究

基于模型试验方法,开展立柱截面形状对半潜式海洋平台涡激运动影响的研究。对立柱截面形状为圆形、方形的半潜式平台分别进行平面内三自由度涡激运动特征测定,得到不同工况下平台横荡、纵荡和艏摇运动的无量纲振幅与约化速度的相关性以及平台各向受力特征。试验结果表明立柱截面形状对半潜式平台的受力频率、响应幅值等涡激运动特征值有较大影响:各个流向下方柱半潜式平台的纵荡运动均观察到"驰振"现象,而圆柱平台纵荡运动是否发生"驰振"现象与来流方向密切相关,并且当"驰振"现象发生时,2个平台纵荡运动频率均稳定于0.38 Hz附近;整个约化速度范围内,方柱平台所受涡激升力与艏摇力矩频率主峰值之比基本保持1∶1关系,圆柱平台在非锁定区和锁定区内涡激升力与艏摇力矩频率比为1∶1,在超锁定区变为1∶1.5;多数工况下圆柱平台的横荡幅值明显大于方柱平台,而方柱平台的艏摇响应幅值远大于圆柱平台,最大幅值可达20.35°。     

考虑到台风海况浮式风力机半潜式平台风浪流载荷动态响应及系泊性能分析

为研究浮式风力机半潜式平台的动态响应及系泊性能,建立了基于半潜式平台的NREL5 MW浮式风力机模型.结合有限元方法,并利用辐射和衍射理论,在考虑风、浪、流载荷的联合作用下,运用Aqwa软件对极端海况下半潜式平台的动态响应及系泊性能进行数值仿真,得到了幅值响应算子(RAO)、附加质量、辐射阻尼随波浪频率的变化趋势以及极端海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应.结果表明:半潜式平台在高频区域(大于1.6rad/s)具有良好的运动性能,动态响应小;垂荡方向动态响应不受波浪方向变化的影响,且波浪方向为0°时,纵荡和纵摇动态响应最为剧烈;台风海况下半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均大于无台风海况;随着海况恶劣程度加深,半潜式平台的动态响应和系泊线的张力响应均明显增大.     

极限海况下Spar平台漂浮式风电场平台动态响应研究

平台稳定性是漂浮式风力机安全运行的基础。以漂浮式风力机Spar平台为研究对象,借鉴"铁索连舟"增强船舶稳定性的思想,建立了共用系泊系统基于Spar平台漂浮式风电场。运用水动力学软件AQWA,采用辐射/衍射理论并结合有限元方法,研究了极限海况下风、浪及流载荷联合作用下多平台的动态响应特性。结果表明:频域分析中,Spar平台在纵荡方向上的幅值响应算子随频率增加逐渐减小,最后趋向于零;在垂荡和纵摇方向上,幅值响应算子随频率增加先增加后减小,最后趋向于零,且峰值频率在低频区域。时域分析中,较之于单平台,漂浮式风电场平台在纵荡、横荡方向上的位移均得到了一定程度的减小,横摇及艏摇运动响应亦得到了抑制。增大系泊链接点半径的方法对于抑制漂浮式风电场平台艏摇响应效果明显。     

考虑阻尼比的Spar式浮式风力机基础结构涡激运动特性研究

利用数值模拟方法对不同阻尼比条件下Spar式浮式风力机基础结构进行涡激运动特性的研究.从涡激运动响应幅值、频率比、位移、升力及拖曳力等方面研究Spar式浮式风力基础结构涡激运动的关键特性.研究表明:涡激运动上端分支对应的频率比为fy/fn≈1,且该分支出现最大幅值.随着阻尼比的增大,上端分支约化速度范围有减小趋势.低阻...     

风浪异向下漂浮式风电场平台动态响应研究

为研究风浪异向下海上漂浮式风电场平台运动响应,建立基于ITI Energy Barge平台的漂浮式风力机及共用系泊的二阶阵列漂浮式风电场模型,运用水动力学软件AQWA与风力机仿真软件OpenFAST分别对水动与气动载荷进行计算,分析了风浪异向下二阶阵列漂浮式风电场Barge平台时频响应特性。结果表明：频域内,Barge平台响应主要集中在低频区域,波浪方向对纵摇和纵荡响应影响较大,对垂荡响应影响较小;时域内,纵摇和艏摇自由度背风侧平台响应幅值明显大于迎风侧平台;风电场各平台在横荡、横摇上的响应幅度随波浪入射角度的增大而增大,纵荡和垂荡自由度则几乎不受影响。     

不同风况下半潜漂浮式风力机动力学响应分析

针对现有漂浮式风力机在风浪作用下运动响应较大的问题，提出一种具有圆台形浮筒的新型半潜式平台。基于FAST耦合水动力、空气动力和系泊系统等物理场，同时结合水动力学软件AQWA计算的频域参数对不同风况下漂浮式风力机动力学响应进行分析，并在额定风况下与OC4-DeepCwind漂浮式风力机进行对比。分析结果表明：不同风速对漂浮式风力机的纵荡、纵摇及艏摇运动影响明显，对垂荡运动影响较小；与OC4漂浮式风力机相比，新型漂浮式风力机在各风况下纵摇、横摇响应得到明显降低，具有良好的稳定性。     

新型螺旋扰流片漂浮式风力机半潜平台动态响应研究

为改善半潜式平台漂浮式风力机动态响应,提出将扰流片螺旋布置于半潜式平台浮筒下部的结构设计方法,将附加螺旋扰流片的半潜平台漂浮式风力机与原平台进行对比,并研究扰流片布置螺距对平台性能的影响。结果表明：频域分析中扰流片能够显著降低平台所受横摇波浪激励力矩,对平台垂荡、横摇、纵摇辐射阻尼及附加质量均有一定提升,平台频域幅值响应算子(RAO)峰值明显降低;安装扰流片后,平台固有周期增加,抗共振性能更好;时域分析中,在垂荡、纵摇方向上扰流片布置螺距对平台运动响应影响较小,对横摇运动响应抑制明显,其中0.29D(D为半潜式平台浮筒半径)扰流片平台性能较佳。     

Spar型浮式风电基础结构涡激运动实验研究

对Spar型浮式风电基础结构进行水槽模型实验研究,并借鉴海洋石油领域的减涡措施,为模型安装螺旋侧板作为对比。测试不同约化速度和固有频率下的运动响应及顺流向、横流向动水压力,从响应幅值、涡泄频率、受力分析和运动轨迹等多个角度出发,分析其涡激运动的关键特征。研究表明:涡激运动锁定区前后阶段,涡泄频率与固有频率比值随约化速度呈线性增加,且锁定区前St≈0.18,锁定区后St≈0.14;螺旋侧板对运动轨迹、频率改变十分明显,其减涡效果显著。     

周期艏摇运动对浮式风力机的气动影响

相比于偏航工况,浮式风力机在风波联合作用下的艏摇运动不仅改变了来流的入射角度,又给叶片附加了牵连角速度,对其气动特性及稳定性带来巨大的影响。基于升力面自由尾迹方法研究周期艏摇运动对NERL 5 MW浮式风力机的气动影响,从入流速度的角度分析艏摇运动的作用机制,捕捉到了艏摇运动下的畸变尾迹,评估了风轮-尾迹效应。结果表明:幅值为3°的周期艏摇运动下,风力机平均功率上升了1.49%,波动幅值接近100 kW,最低功率值等于3°偏航工况;充分发展的尾迹对风轮的诱导作用略有减小,但对特定叶片的诱导作用反而加强:初始时刻位于特定方位角的某叶片会持续过载,且整机的艏摇及横摇力矩波动剧烈,不利于风力机长时平稳运行。     

考虑流固耦合的Spar型浮式风力机涡激运动特性研究

对弹性支撑单圆柱在均匀流作用下的涡激运动特性进行数值模拟,捕捉到"锁定区"、"拍"、"频率变换"等现象。柱体周围流场采用Fluent求解,将4阶Runge-Kutta方法代码写入用户自定义函数(UDF)求解运动微分方程,运用动网格技术更新流场,实现圆柱与流场的非线性耦合作用。发现随着折合速度的增大,涡激运动响应可分为锁定前支、锁定区、锁定后支3个阶段,在进入锁定区前(折合速度Ur=3)横向运动响应发生拍现象,当跨过锁定区后(折合速度Ur=10)发生频率变换现象。结果表明,横向涡激运动有较大范围的频率锁定现象,频率解锁前后圆柱涡激运动轨迹由"右8字"形变换为"左8字"形。     

不同入射角风波流海上漂浮式风力机频域与时域动态特性

采用边界元并结合多体动力学方法分析了张力腿平台(TLP)漂浮式风力机结构,研究了平台结构在不同方向上的频域与时域运动响应变化,并比较了漂浮式平台在海洋环境条件下风波流联合作用时和波浪载荷独立作用时的运动响应,得到了平台结构在时域中的动力响应.研究结果表明:漂浮式平台在频域变化范围内,运动响应主要集中在低频部分,绕射力对漂浮式海上风力机TLP的作用力不能忽略;风波流联合作用时的运动响应标准差大于波浪载荷独立作用时的运动响应标准差,且平台偏离平衡位置的程度更加剧烈;平均运动响应及标准差在入射角分别为0°、22.5°和45°时相差微小.研究结果对海上张力腿平台结构设计与优化具有很高的参考价值.     

无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及捕能效率

针对无叶片风力机捕能柱的涡激摆动特性,构建捕能柱系统简化的质量-阻尼-弹簧振动模型,推导其固有频率与捕能效率的计算式,并结合k-ωSST湍流模型和动网格方法,建立捕能柱涡激摆动的仿真模型并进行验证,探究捕能柱质量比、系统阻尼比和固有频率对其涡激摆动特性与捕能效率的影响.结果表明:捕能柱涡激摆动最大摆幅与捕能效率均发生在...     

MW级风力发电机组联合仿真运动分析

根据在Adams系统中建立的MW级风力发电机组的机械模型和Adams与Matlab之间的接口,在Matlab环境中建立了偏航运动、转子运转和变桨运动的控制方法。根据给定机组的参数,研究了机组偏航运动、转子运转和变桨运动在启动阶段的特性。研究发现:在启动过程中,由于变桨运动、偏航运动和发电机转子旋转同时存在,将产生陀螺效应和惯性力,并施加在运动副上;即使对发电机施加冲击和干扰,控制模型都能够保证风力发电机组稳定运行;由于牵连运动、相对运动和惯性力的影响,转子角速度、偏航运动和变桨运动均不可能做到匀加速或匀减速运动。     

Predictions of unsteady HAWT aerodynamics in yawing and pitching using the free vortex method

To predict the unsteady aerodynamic loads of horizontal-axis wind turbines (HAWTs) during operations under yawing and pitching conditions, an unsteady numerical simulation method is proposed. This method includes a nonlinear lifting line method to compute the aerodynamic loads on the blades and a time-accurate free-vortex method to simulate the wake. To improve the convergence property in the nonlinear lifting line method, an iterative algorithm based on the Newton–Raphson method is developed. To increase the computational efficiency and the accuracy of the calculation, a new wake vortex model consisting of the vortex core model, the vortex sheet model and the tip vortex model is used. Wind turbines with different diameters, such as NREL Phase VI, the TU Delft model turbine and the Tjæreborg wind turbine, are used to validate the method for rotors operating at given yaw and/or pitch angles and during yawing and/or pitching processes at different wind speeds. The results, including the blade loads, the rotor torque and the locations of the tip vortex cores in the wake, agree well with the measured data and the computed data. It is shown that the proposed method can be used for predictions of unsteady aerodynamic loads and rotor wakes in the operational processes of blade pitching and/or rotor yawing.     

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。     

水平轴风力机塔筒涡激共振疲劳分析

利用梁单元对水平轴风力机塔筒进行有限元离散建模,基于塔筒不同安装状态时的固有频率和振型计算,分析了塔筒涡激共振,计算了发生涡激共振时临界风速下的塔筒最大振幅和惯性力。以某3.0MW风力机塔筒为例,利用名义应力法计算涡激共振产生的塔筒惯性力矩和疲劳损伤,分析了需要避免的塔筒安装状态。结果表明,本文计算模型简便有效,能较快地预测涡激共振对塔筒疲劳特性的影响,从而为风电机组塔筒设计和安全吊装提供了理论依据。     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

Measurements on a wind turbine wake: 3D effects and bluff body vortex shedding

The velocity field in the wake of a two‐bladed wind turbine model (diameter 180 mm) has been studied under different conditions using a two‐component hot wire. All three velocity components were measured both for the turbine rotor normal to the oncoming flow as well as with the turbine inclined to the freestream direction (the yaw angle was varied from 0° to 20°). The measurements showed, as expected, a wake rotation in the opposite direction to that of the turbine. A yawed turbine is found to clearly deflect the wake flow to the side, showing the potential of controlling the wake by yawing the turbine. An unexpected feature of the flow was that spectra from the time signals showed the appearance of a low‐frequency fluctuation both in the wake and in the flow outside the wake. This fluctuation was found both with and without freestream turbulence and also with a yawed turbine. The frequency expressed as a Strouhal number was shown to be independent of the freestream velocity or turbulence level, but the low frequency was only observed when the tip speed ratio (or equivalently the drag coefficient) was high. The shedding frequency changed also with the yaw angle. This is in agreement with the idea that the turbine sheds structures as a bluff body. The phenomenon, noticeable in all the velocity components, was further investigated using two‐point cross‐correlations of the velocity signals. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.