半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

半潜式海上浮式风力机平台随机响应特性分析

为了研究风力机平台的运动特性,利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和莫里森方程计算平台水动力,采用准静态悬链线理论模拟系泊系统,利用海洋工程工具SESAM软件建立了完整高效的风力机系统数值模型.针对自主设计的半潜式海上浮式风力机基础进行了水动力分析,数值分析结果与实验值符合较好.通过系统运动响应的统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响.研究结果表明:该系统数值模型时效性较好,可真实反映浮式风力机平台的运动特性,风力机载荷在大幅增加平台的纵摇和纵荡响应的同时会对纵荡和系泊载荷频谱产生最直接的主导性影响.     

漂浮式风力机驳船式平台响应特性分析

平台的稳定是海上漂浮式风力机能够安全运行的最基础保障.通过建立基于驳船式平台的海上风力机整机模型,采用有限元方法,研究了漂浮式风力机驳船式平台在风、浪、流3种环境载荷联合作用下的时频域动态响应.通过漂浮式风力机驳船式平台在时域和频域内的变化幅度来分析平台的动态响应特性,得到了波浪力即F-K力和绕射力对平台六自由度运动的贡献以及各波浪力随频率的变化趋势.结果表明:平台幅值响应算子和平台所受波浪力均在低频波浪作用下出现较大响应;平台在纵荡、垂荡和纵摇方向的运动响应较之其他3个方向更加明显.     

重心高度对浮式结构水动力性能的影响

 通常在计算模拟海上浮式风机平台运动时, 外部结构形式是影响水动力性能的主要因素, 而重心在水动力计算中的影响则被忽略.为了研究重心变化对结构物水动力响应的影响, 以5MW浮式风机平台作为研究对象, 通过数值模拟的方法, 分别对浮筒间距、撑杆形式以及有无垂荡板与重心高度变化结合加以分析研究.结果表明:改变浮筒间距时, 重心高度对水动力性能的影响主要体现在横、纵摇及横、纵荡方面, 且浮筒间距较大的基础形式达到峰值响应时的重心更低;斜撑的改变与其随重心变动得到的运动幅值规律一致, 且峰值响应之后的各响应幅值在数值上基本相同;垂荡板的添加有效降低了纵摇及垂荡幅值;对于三浮筒半潜式平台, 最佳重心位置为水下3~8m处.     

深海几何形单柱式平台的运动分析

基于三维源法和Pinkster近场法分析了几何形单柱式平台(Geometric Spar)的运动特性,计算了其在不同频率下的水动力系数、一阶波浪干扰力(力矩)和二阶波浪慢漂力(力矩)以及一阶运动响应,平台上加装的垂荡板根据Morison公式计算.将理论得到的纵荡、垂荡和纵摇运动的一阶运动响应函数、运动谱以及统计值与相应的试验结果进行了比较,试验中浪向角180°,波浪采用西非的极限波浪.结果表明:理论值与试验结果符合较好;几何形单柱式平台纵摇运动的低频分量不可忽略;平台八角形的截面形状加上垂荡板使得这种柱型平台在深海开采中具有一定的优势.     

南海桁架式深吃水立柱式平台水动力性能

应用三维势流理论、非线性时域动力耦合分析方法以及深海平台混合模型试验研究方法,针对我国南海北部一座15 km桁架式深吃水立柱式平台（Truss Spar）,在不同海况下对作业装载的平台锚泊系统进行了截断水深模型试验、数值重构研究,并数值外推到全水深,较好地预报了其水动力性能,包括纵荡、垂荡和纵摇. 经分析：Truss Spar平台的垂荡、纵摇低频运动分量较大,同时纵荡也表现出很强的低频特性;此外,平台具有较小的垂荡运动幅值,垂荡性能较好,能较好地满足海上油气生产的要求.     

波浪中柔性连接浮式栈桥运动响应分析

为了对浮式栈桥系统在波浪中的运动响应进行数值预报,基于SESAM软件计算分析了不同有义波高、不同谱峰周期下浮式栈桥的运动响应特性,给出了栈桥系泊缆绳及桥间连接缆绳的最大张力,并对其安全性进行了分析,指出了无法满足安全性要求的环境条件。结果表明,当谱峰周期为8s时,桥节纵荡、垂荡和纵摇运动响应幅值,桥节间相对纵荡、相对垂荡最大幅值均随有义波高的增加而增加;当有义波高为1.5m时,各桥节的纵荡及垂荡幅值随周期的增加而增加,纵摇幅值在10~14s周期达到最大;桥节间的相对纵荡及相对垂荡幅值在周期为12s时达到最大。综上所述,在进行浮式栈桥设计时应综合考虑有义波高与谱峰周期对其运动响应的影响,从而确保浮式栈桥的安全性。     

圆筒形超深海半潜式钻井储油平台运动特性分析

使用Pro/E软件对SEVAN 650平台和GVA 7500平台建模,将模型导入ANSYS Workbench程序的Hydrodynamic Diffraction模块,计算出2座半潜式钻井平台南海海况风暴自存状态下的运动响应幅值算子,得出2座平台各自的垂荡、横摇和纵摇特性曲线,进而对2座平台南海海况风暴自存状态下的运动特性进行对比分析.结果表明:SEVAN 650圆筒形半潜式平台在原油存储性能和甲板承受可变载荷性能优于GVA 7500平台的前提条件下,其在风暴自存状态时具有比GVA 7500更优的抗倾性能,但SEVAN 650平台在风暴情况下的垂荡响应幅值需要进一步减小.     

张力腿平台局部系泊失效模式下动力响应分析

针对浮体-张力筋腱非线性耦合系统,采用时域分析方法对局部系泊失效下的张力腿平台进行动力响应分析,重点研究两根筋腱失效时筋腱失效位置、波浪载荷参数与平台各自由度动力响应的关系.结果表明:局部系泊失效对平台横荡、纵荡、艏摇自由度的动力响应影响远小于横摇、纵摇、垂荡自由度;失效位置与平台动力响应关系密切,失效筋腱位置越集中,平台响应越大,反之亦然;筋腱失效后平台在不同波浪载荷参数下的运动特性及顶端张力表现各异.垂荡瞬态阶段响应对波高和波周期敏感性较强,垂荡稳态阶段响应对浪向、波高和波周期敏感性较强;纵摇(横摇)瞬态和稳态阶段响应对浪向、波高和波周期敏感性均较强;波浪载荷参数对筋腱顶端张力的影响较小.     

MPS-DEM耦合方法的多段系泊浮体波浪响应分析

针对大型海上浮体平台常采用分段式结构以保证平台在海浪冲击下结构的稳定性,分段式结构使得浮体平台的水动力特性变复杂的问题,通过耦合移动粒子半隐式法(MPS)与离散单元法(DEM),在全拉格朗日框架下建立了二维造波水池模型。本文比较并修正了造波模型,提高了造波的准确度,并对消波模型进行了改进,改进后的计算量下降了12.1%;对含有不同数量子平台的分段浮体平台在规则波影响下的运动进行了数值模拟,探讨了分段浮体平台运动时子平台间的动态关系。研究结果表明,子平台位置靠近整体平台下游时,其垂荡和纵摇响应逐渐衰减,纵荡响应成为主导特征。大型分段浮体平台在设计时需注意减小前部子平台的垂荡和纵摇,并增加连接部件对尾部子平台的约束力,防止尾部子平台相互碰撞或脱离主浮体平台。     

考虑气动阻尼的浮式风机频域响应分析

分析了气动阻尼对浮式风机频域响应的影响.选取美国可再生能源实验室(NREL)提出的5兆瓦(MW)浮式风机模型作为算例,利用气动阻尼计算方法建立气动阻尼矩阵,再基于三维势流理论计算浮式平台的水动力系数,并将系泊系统视为线性弹簧以考虑其刚度,最后在频域内分别建立并求解考虑与不考虑气动阻尼两种情况下的浮式风机刚体运动方程.利用求解频域方程得到的幅频响应算子(response amplitude operators,RAOs)及结合JONSWAP海浪谱得到的响应谱,在频域内分析了气动阻尼对浮式风机刚体运动的影响.结果表明:作业工况下气动阻尼能有效地降低纵荡和纵摇运动RAOs的峰值,且能在一定范围内减小对应自由度上响应谱的幅值和零阶矩.     

基于AQWA的张力腿平台动力响应分析

为研究极端海况下张力腿平台(TLP)的动力响应性能,对一典型传统式TLP平台进行整体设计,并应用势流理论和波浪的辐射/衍射理论,结合水动力分析软件AQWA,考虑随机波浪载荷及风、流载荷的共同作用,对平台在极端海况下的动力响应进行了数值模拟分析,计算在多个不同入射角波浪作用下的平台六个自由度上运动的幅值响应算子(RAOs),模拟分析在极端海况P-M波浪谱作用下平台的动力响应和张力腿的运动响应.结果表明:波浪入射角的不同对平台垂荡运动的RAOs没有明显的影响,对另外5个方向运动RAOs的幅值有明显影响;张力腿提供的附加刚度,对平台上体纵、横摇及垂荡响应作用明显,对平台纵、横荡及首摇也有一定的限制作用;平台的动力响应主要由波浪荷载引起;张力腿在平台上体带动及流荷载作用下会产生较大幅度运动.总之,在张力腿的有效约束下TLP平台可以避开能量集中的波浪频率,表现出良好的纵、横摇及垂荡性能,而张力腿的安全和性能将成为平台安全和性能的重要指标.     

平台运动对海上浮式风机的气动性能影响研究

研究了浮式平台的运动响应对风机气动性能影响.利用动量叶素理论及变速变桨比例积分微分（PID）控制技术,考虑了低于额定风速、额定风速、高于额定风速3种工况,对NREL 5MW水平轴风机随浮式平台运动的气动性能进行了模拟和分析.仿真结果表明：浮式平台的运动使风轮产生了与遭遇波浪同频的周期性载荷,同时浮式平台的运动响应幅值越大,低于额定风速时的平均功率越高,且额定风速时的平均功率越低,而高于额定风速时的平均功率基本不变.     

海上风电机组DeepCWind平台系泊缆布置及断裂仿真分析

以NREL 5 MW风电机组和OC4-DeepCWind半潜式浮式平台为研究对象,运用ANSYS/AQWA水动力分析软件和OPENFAST仿真分析软件进行风电机组气动、水动和系泊系统的时域耦合运动分析,研究不同系泊缆数量、角度布置形式及系泊缆断裂等因素对浮式风电机组动态响应和系泊缆张力的影响。结果表明：增大系泊缆的布置角度可提高浮式风电机组平台的稳定性,但同时增大了系泊缆张力,导致安全系数降低;迎浪侧系泊缆断裂瞬态情况下,浮式平台产生明显的运动响应波动,系泊缆布置角度的增大使浮式平台的稳定性急剧降低。     

带航速三体渡驳水动力特性频域分析

为了研究带航速三体渡驳在波浪中航行时的水动力特性,以及航速和环境因素对其幅值响应算子的影响,根据势流理论和波浪辐射/衍射理论分析了有航速三体渡驳的波浪激励力及水动力系数,进而利用AQWA求解了三体渡驳的幅值响应算子,得到了不同航速、水深及遭遇浪向条件下三体渡驳各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。计算结果表明:航速越大纵荡幅值越小、纵摇峰值越大,水深越浅垂荡幅值越小、纵摇峰值频率越低,当水深吃水比大于20后即可按照无限水深来计算其幅值响应算子;遭遇浪向对各自由度RAOs均有较大影响,其中艏斜浪或迎浪航行对三体渡驳的运动较为有利。     

桶形基础平台沉放过程数值模拟分析

平台在沉放过程中,受到复杂的一阶和二阶流体动力作用,为了深入了解沉放过程中平台的运动特性,首先建立了桶形基础平台沉放数值模型,然后通过格林函数法和平台湿表压力积分来计算一阶和二阶流体动力,并耦合求解平台和锚泊线运动方程,得到平台的运动响应.为了验证数值模拟计算的准确度,在上海交通大学海洋工程国家重点试验室进行了平台沉放模型试验,试验结果与数值模拟符合良好.数值模拟分析表明,平台在沉放过程中主要的运动为纵荡、横荡、纵摇和横摇,并且与来波方向有密切关系;二阶波浪力对纵荡和横荡有明显的作用;整个沉放过程中平台运动比较稳定,可以实现平台的自身压载沉底.     

漂浮式海上风电机组动力学仿真分析

通过计算机仿真技术,分析深海漂浮式风力发电机组的动力学特性.首先分别建立海上浮式平台的水动力学模型和基于动态入流理论的风轮空气动力学数值模型,然后将其施加到由“风轮-机舱-塔筒-系泊系统”组成的多柔体系统动力学模型上,并由Fortran语言编程计算,将分析模型和结果导入到ADAMS进行可视化及后处理,最后,以美国NREL基本型5MW风电机组数据为基础,对漂浮式风力机系统和近海的定桩式风力机系统进行动力学分析对比,研究结果表明:漂浮式海上风电机组在运行过程中,其浮式平台承受水动力而产生摇荡运动,气动载荷与水动力相互耦合对整机结构动力响应及功率波动有着明显影响.     

海上风力机桩柱式结构动力响应分析

采用有限元方法,分析了桩柱式结构模态,得到结构振型变化,且研究了桩柱式平台结构的波浪力载荷作用机理,得到平台结构在时域中桩柱结构所受波浪力变化情况.同时分析了不同桩柱形式结构纵荡、横荡和垂荡以及横摇、纵摇和首摇方向波浪力变化.结果表明:多桩柱平台结构频率变化范围集中、振型变化较小;横荡方向波浪作用力小,纵摇方向波浪作用力大.