建筑增强型垂直轴风力机气动特性数值研究

为捕获建筑环境中蕴藏丰富的高品质风能,结合高耸建筑的高度优势与建筑扩散体强化风速效应,将垂直轴风力机放置于不同建筑扩散体之间,通过数值模拟的方法研究建筑增强型垂直轴风力机在具有不同实度与不同翼型时的气动特性.结果表明:建筑扩散体可大幅提升风力机获能效率,建筑增强型垂直轴风力机较原始垂直轴风力机最大风能利用系数提升4.47倍,其最佳尖速比位置向右偏移,但其载荷波动较剧烈,且对建筑外廓敏感,其中圆弧形截面建筑可有效减小建筑分离涡造成的影响.随着实度的增加,建筑增强型垂直轴风力机风能利用系数先增大后因叶片间干扰而减小,其载荷波动和自启动性在多叶片时得到明显改善.对于不同系列的翼型,FXLV152翼型有助于减小疲劳累积损伤,最大厚度较大的NACA0021翼型有利于提高风力机的获能效率,S809非对称翼型则不适用于建筑增强型垂直轴风力机.数值结果为建筑增强型垂直轴风力机的工程应用提供部分参考依据.     

大型风力机多体动力学仿真下结构动态响应

为探究风力机湍流风况下结构动态响应,建立运行于以轮毂高度为参考点的全域风场中的风力机整机模型,以拉格朗日算法进行多体动力学仿真,分析叶片和塔架结构动态响应。风况模拟采用Kaimal风谱,包括不同风速以及稳态和湍流多种情况。结果表明:叶尖位移和叶根力矩挥舞方向大于摆振方向;叶尖位移集中于风轮转动频率附近;塔顶位移仅为塔架高度的0.15%~0.30%。     

海上风力机与船舶碰撞的动力响应及防碰装置

为确保海上风力机支撑结构的安全,设计了4种型式的防护装置。建立了有防护装置的3 MW风力机与船舶碰撞的模型,通过LS-DYNA模拟船舶以不同速度撞击风力机塔架,研究了碰撞过程中有防护装置塔架的动力响应特性,并将其与常规塔架进行对比。结果表明：无防护的塔架变形较大且迅速超过材料屈服极限;在1 m/s、2 m/s、3 m/s速度下,A型防护装置的结构变形能分别是无防护装置的22.13%、23.80%和42.58%,最大接触力是无防护装置的54.38%、54.95%、63.92%;组合型防护装置对风力机响应的抑制效果更好。     

螺旋侧板对漂浮式风力机动态响应的影响研究

为研究螺旋侧板对漂浮式风力机动态响应的影响,建立基于Spar平台的5 MW风力机整机模型,利用有限元软件进行水动力计算,得到风力机平台在风浪流载荷联合作用下的时域和频域特性,通过与不附加螺旋侧板情况下的动态特性参数对比,探讨螺旋侧板能否对结构的运动性起到提升作用。结果表明:附加螺旋侧板后,结构的垂荡和纵摇的运动幅值和所受波浪力均得到显著抑制;与纵荡和纵摇相比,垂荡运动的幅值和所受波浪力均受到较大影响;螺旋侧板对缆索张力无明显抑制作用。     

螺旋侧板厚度对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响

Spar平台因其特殊的深吃水立柱式结构,在来流影响下极易发生涡激运动。为探究不同厚度螺旋侧板对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响,基于CFD方法,针对不同厚度螺旋侧板,对平台进行了数值模拟并详细分析平台的升阻力系数、压力场及涡量场等流场参数。结果表明:螺旋侧板可有效抑制涡激载荷,且随厚度增加,升力系数幅值先增加后减小,阻力系数逐步减小;在研究范围内,螺旋侧板厚度为0.10 D时,升力系数幅值最小,阻力系数与原型平台在同一范围内,对涡激载荷的抑制效果最好。     

漂浮式风力机结构动力学响应TMD控制及其参数优化研究EI北大核心CSCD

漂浮式风力机的稳定性研究已成为风电领域中颇具挑战性的问题。分别采用湍流风谱和波浪谱方法建立速度、方向均剧烈波动的湍流风和不规则波,以ITI Barge平台漂浮式风力机为研究对象,提出在机舱配置调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)对风力机进行稳定性控制,基于气动-水动-伺服-弹性仿真平台FAST计算了风波联合作用下TMD风力机的动力学特性,并进一步采用多岛遗传算法对TMD诸结构参数(质量、刚度和阻尼)进行优化设计。结果表明:机舱配置TMD可实现漂浮式风力机稳定性的控制,平台横荡、横摇运动幅度和塔尖侧向位移均明显减小;塔尖侧向位移及平台横摇幅值随TMD质量增加均呈现出先减小后增大的趋势,阻尼及刚度变化对其影响较小;质量为21 393kg、阻尼为13 635 N/(m/s)及刚度为6 828 N/m为最优的TMD结构参数;配置优化TMD后,漂浮式风力机横摇运动及塔尖侧向位移降低效果更明显,稳定性分别提高了约53%和50%;计算结果验证了所提出TMD控制、优化方法及优化结果的有效性和可靠性,可为海上漂浮式风力机的稳定性研究提供参考。     

单桩柱式海上风力机与船舶碰撞的动力响应特性分析

研究单桩柱式海上风力机受船舶碰撞后的动力响应特性,建立基于国内某单桩柱式的3 MW风力机整机模型,运用显式动力学理论并结合非线性有限元方法,通过有限元分析软件LS-DYNA模拟不同质量的船舶以不同速度撞击风力机的碰撞过程。结果表明:在保证碰撞船舶质量(速度)不变的情况下,碰撞持续的时间随着船舶速度(质量)的增加而增加;碰撞结束后,质量一定的船舶回弹动能与初始动能之比随着初始动能的增加而减少;在初始动能较小时,最大接触力与船舶质量和速度都具有显著的线性关系,初始动能相同时,碰撞的最大接触力也基本相同。     

新型张力腿平台漂浮式风力机动态响应研究

未来海上风电场的建设需要大量动态响应低且相互干扰小的漂浮式风力机,为此研究一种尺寸更小,能减少或防止相互间干扰及安装费用更低的新型张力腿平台漂浮式风力机(TLP风力机),基于辐射/绕射理论并结合有限元方法,运用水动力学软件AQWA对其在不同海况下及不同系泊系统下的动态响应进行模拟研究,得到了频域和时域的动态响应数据。结果表明:频域分析中,新型张力腿平台漂浮式风力机的运动响应主要集中在低频区域,其中横荡、垂荡及纵摇的峰值频率分别为0.1、0.35和0.19 rad/s;TLP风力机垂荡和纵摇方向上的运动响应都小于Spar风力机运动响应;横荡、垂荡及纵摇方向上,TLP风力机附加质量均远大于辐射阻尼;时域分析中,4根张紧系泊设计优于单根张紧系泊设计,能有效降低横荡和纵摇运动响应和延长系泊绳的寿命;随着海况恶劣程度的加剧,TLP风力机的动态响应也随之增大。     

单桩基础海上风力机遭遇船舶撞击的动力响应分析

为研究单桩基础海上风力机遭遇船舶撞击的动力响应特性,建立基于国内某单桩柱式的3MW风力机与船舶碰撞模型,运用显式动力学理论并结合非线性有限元方法,通过LS-DYNA模拟5000t船舶以不同速度撞击风力机过的动力响应过程。结果表明:碰撞持续的时间和最大接触力随着速度的增加而增加;碰撞结束后,船舶回弹动能与初始动能之比随着速度的增加而减少,但结构变形能与初始动能之比随着速度的增加而增加;当船舶速度为2 m/s时,碰撞主要为塑性碰撞,撞深为0.675 m,塔顶风力机最大位移和加速度分别为2.3 m和29 m/s~2。     

风速时间序列混沌特征分析及非线性短期预测

针对风能发电及天气预报等领域中一直是难点和重点的风速时间序列预测问题,首先分别通过相图法和最大Lyapunov指数法定性定量确定风速时间序列具有混沌特征;在此基础上,针对风速时间序列混沌特征结合相空间重构理论进行预测,根据C-C算法确定嵌入维数及延迟时间,将混沌理论应用于Volterra自适应模型,建立新的风速预测模型;以Lorenz方程为例验证该预测模型的准确性,并通过预测风速对比实测风速,进行误差分析。结果表明:风速时间序列具有明显的混沌特征;风速时间序列的混沌特征表明其长期预测是不现实的,但其确定性结构表明其具有短期可预测性;以预测Lorenz方程数值解的方式验证了Volterra自适应预测模型的准确性,其预测误差控制在10~(-4)以内;Volterra自适应预测模型可以对实测风速时间序列进行准确的预测,预测误差控制在0.1 m/s内。