【数值仿真】海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究

云数仿真 2023年12月13日浏览：1600 评论：1 收藏：4

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。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。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。

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,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。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。由于三维势流理论无法考虑浮体的黏性效应,软件采用Morison方程的拖曳项模拟浮式风力机的黏性阻尼。

浮式风力机系统结构形式复杂,既包括了叶片、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。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。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。

海上浮式风力机数值仿真模型建立

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。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。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3×3的悬链线式系泊。

图1 浮式风力机结构示意图

图2 浮式风力机系泊系统布置图

水动力模型的建立

在AQWA中建立浮式基础的水动力模型如图3所示。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、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0°入射方向下一阶波浪载荷传递函数的计算结果如图4所示。

图3 浮式基础水动力模型

图4 波浪入射方向为0°时的一阶波浪载荷传递函数

动力响应分析

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。环境载荷方向的定义如图5所示。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。风浪方向均为0°,表面流向为-180°,模拟时间为3600s。计算结果如图6所示。