基于多体动力学的浮式风机拖航中的环境影响分析

新型全潜式浮式风机具有可在船坞中建造、整机一体化浮运拖航到安装区域的优点,从而减少了海上施工过程中大型吊装机械的使用.但是全潜式浮式风机作为一种高耸结构,在拖航过程中受到的环境荷载倾覆力矩较大,需要对拖航浮运过程中的稳性进行分析以保证施工过程的安全.本文基于多体动力学方法,建立了拖船-拖缆绳-全潜式浮式风机整个拖航系统的动力学模型,研究了拖航过程中风、波浪、海流3种环境影响因素对全潜式浮式风机运动响应的影响.结果表明,在选取的拖航工况中全潜式浮式风机拖航横摇和纵摇均小于2°,垂荡位移小于1.3,m;浮式风机基础拖航纵摇主要受风和波浪影响较大,而横摇和垂荡受波浪影响较为明显;在遭遇较大横浪时,应尽量调整拖航行进方向与波浪方向平行.     

海上风力机模型试验平台与技术研究及实践

海上风能资源储量丰富,促进了海上风力机的发展.随着风力机功率的增大,适用于浅海海域的固定式基础已经不再满足设计要求,适用于深海海域的浮式基础得到了快速发展.本文介绍了浮式风力机的发展过程、类型以及特殊性,指出了水池模型试验在浮式风力机的发展过程中起着不可或缺的作用.本文首先总结了缩尺模型试验的关键技术,然后以上海交通大学提出的6 MW单柱式风力机为研究对象,总结了缩尺模型的制作过程,最后介绍了上海交通大学海洋工程深水试验池的建设情况,并展示了在该试验池中进行的新型多立柱张力腿式风力机模型试验的结果.其试验结果与软件计算结果吻合较好,表明该试验池可以很好地开展浮式风力机的模型试验.本文对于后续的6 MW单柱式风力机模型试验及众多的风力机模型试验具有一定的指导作用,为我国浮式风力机的发展提供了理论依据.     

快速预报船舶破舱危险程度的方法

提供出船舶破损第三类进水舱浮态快速计算方法。同时利于自由流通对稳性的影响，理论分析和推导出破舱稳性公式。并参照国际海事组织有关文件，结合国际惯例，对破舱稳性衡准的有关问题进行了探讨。同时给出了船舶破损后，危险程度的快速预报方法。     

基于CFD的渔船破舱进水时域模拟及破舱稳性和压强分布研究

沿海渔船的船型瘦小,对于动稳性的变化较为敏感,船体破损后失稳会产生严重的危害,因而近海作业的沿海渔船破舱稳性研究有比较实际的应用价值.运用CFD软件STAR-CCM+,对一艘28.8 m长、作业区域为渤海的养殖看护船,进行横浪条件下瞬时非对称进水过程的时域模拟,得到该船破舱进水过程中船舶的六自由度变化以及压力分布.对比该船在3种海况下破损后的物理行为发现,非对称舱进水会在波浪作用下带动船舶产生不同程度的艏摇运动,促使破损船由横波运动向纵波运动转变,基于破损后的运动响应,可以对渔船的舱室分布及对破舱事故后的操纵及减损提供参考意见.     

钢筋混凝土浮式风机平台概念设计与性能研究

鉴于钢筋混凝土结构具有成本低、耐腐蚀和施工简便等优点,根据假设的海况条件和5 MW风机的属性,提出了钢筋混凝土半潜型浮式风机平台的概念设计方案.采用SESAM软件建立水动力模型进行数值模拟,研究了浮式平台的整体性能,包括稳定性、水动力性能和整体强度.结果表明:半潜型浮式平台的稳定性、水动力特性和整体强度良好,能够满足风机正常作业的相关规范要求,验证了钢筋混凝土浮式风机平台的可行性.     

船完整稳性实时计算方法研究

舰船完整稳性和破舱稳性是保障舰船安全的重要性能. 目前在设计阶段完整稳性仅仅通过几种典型载况进行校核,难以涵盖舰船执行任务或海战过程中复杂多样的实际状况. 根据静力学中等体积小角度倾斜原理,提出了基于液位高度修正的任意浮态实时载况计算方法,即根据液舱液位测量管或传感器实时测量的高度值经过液位高度修正,再利用舱容曲线插值求出当前任意浮态下液舱的液体重量. 结合数据库高效处理数据的能力与程序在计算过程中稳定性的要求,开发了完整稳性实时计算及浮态调整的仿真程序. 实时浮态调整算例证明该方法实用可靠.     

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.     

舰船完整稳性实时计算方法研究

舰船完整稳性和破舱稳性是保障舰船安全的重要性能．目前在设计阶段完整稳性仅仅通过几种典型载况进行校核，难以涵盖舰船执行任务或海战过程中复杂多样的实际状况．根据静力学中等体积小角度倾斜原理，提出了基于液位高度修正的任意浮态实时载况计算方法，即根据液舱液位测量管或传感器实时测量的高度值经过液位高度修正，再利用舱容曲线插值求出当前任意浮态下液舱的液体重量．结合数据库高效处理数据的能力与程序在计算过程中稳定性的要求，开发了完整稳性实时计算及浮态调整的仿真程序．实时浮态调整算例证明该方法实用可靠．     

散货船破舱稳性计算

根据ＳＯＬＡＳ修正案“散货船的安全措施”及“货船分舱和破舱稳性”的各项条款的要求,计算并校核了五条散货船第一货舱破损进水后的平衡状态和船舶分舱指数,分析了满足的原因,探讨了具体的改造措施,提出了新船设计的建议。     

散货船配载仪中破舱稳性计算

为提高散货船配载仪中破舱稳性的计算精度,基于船舶三维设计数据进行破舱稳性计算.首先沿船长方向对船体的三维设计模型进行切片,得到船体的横剖面型值数据;然后通过等距偏移模拟船体外板厚度,得到船舶外板数据;最后分别利用最小功法和静平衡法计算破损船舶各个横倾角度的复原力臂.以38 300t散货船"RUI AN CHENG"为例,对3个典型载况进行了破舱稳性计算.计算结果表明:与NAPA计算值相比,静平衡法的计算结果具有较高精度,满足主流船级社的精度要求,而最小功法的计算结果则有较大误差.同时,静平衡法不仅适用于散货船配载仪的破舱稳性计算,对液货船、集装箱船等的配载仪的开发也具有一定参考价值.     

海、陆两用风力发电实验平台设计

在风电场通过现场测试分析研究风力机性能由于受到现场环境的限制,能够获得的研究数据有限,室内模拟实验平台能够有效弥补研究不足.为此提出了一种海、陆两用风力发电实验平台方案.该实验平台由来风装置、风轮、发电机、两段式塔架、漂浮台、波浪产生装置、传感检测和数据采集系统等构成.在实验平台整体方案基础上,进行了结构参数设计,建立了漂浮台受力分析模型并获得了合理的结构参数,以Lab VIEW为开发环境设计了上位机运行状态监控系统.最后,基于构建的实验平台,开展了部分风力机动态特性研究工作,对比分析了模拟陆地风力机和海上漂浮式风力机时塔架振动特性,为进一步深入开展风力机动态特性研究提供了基础.     

浮冰作用下单桩海上风机动力响应分析

随着海上风电在环渤海地区不断发展，冰激振动响应为当前环渤海地区海上风机面临的重要问题 .基于海上风机一体化数值分析软件，对浮冰作用下单桩海上风机动力学响应展开研究 .重点探究单桩风机塔基以及泥面线处载荷动力响应变化规律，研究不同冰载数值模型、冰厚以及冰速对单桩海上风机动力响应影响，开展抗冰锥结构下单桩海上风机动力响应影响规律.结果表明：不同冰载数值计算模型下的计算结果差别较大，采用Matlock双齿模型计算出的塔基载荷以及泥面线载荷最大，分别为无浮冰作用的 2.2倍与 1.3倍；单桩海上风机动力响应随冰厚增加而增加，冰速变化对单桩海上风机结构荷载影响不明显；采用抗冰锥措施后，作用于单桩海上风机的冰荷载显著降低，极大降低单桩风机塔基以及泥面线位置处的剪力与弯矩，塔基位置处剪力与弯矩的最大值分别为无抗冰锥结构的82%与95%.同时抗冰锥结构可极大降低作用结构上的冰荷载，其冰载最大值与标准差分别为不采用抗冰锥结构的5%与7%.     

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。     

复杂海况下风力发电机建模与动态特性仿真分析

考虑到海上风力发电机可能会受到冰载荷的影响,将随机冰力函数模型添加到风力发电机模型中,利用莫里森方程模拟海浪作用,建立复杂海况下多体动力学联合仿真模型,进行多场耦合作用下的风力机动力学特性分析,以此评估风力机系统在复杂工况下的运行风险。结果表明:风力机塔顶位移的波动主要受风载的影响;波浪、海冰对塔基载荷性能影响较大,会使塔筒产生持续振动并引发疲劳破坏,风冰联合作用时振动更为剧烈;由于海冰的持续撞击作用会使塔基载荷普遍大于无海冰作用情形,因此,针对海冰工况下风力发电机的设计要有所修正及完善。     

半潜式浮式风机平台绕流力学特性与尾流分析

柱体绕流是海洋工程领域的重要问题.流体绕经海洋平台所产生的周期性涡脱会造成平台往复运动,这将加剧平台系泊结构疲劳损伤,降低结构疲劳寿命.为研究多柱式浮式风机平台绕流的力学特性,厘清尾流之间的干扰机理,采用Delayed Detached Eddy Simulation(DDES)方法分析了半潜式浮式风机平台在不同来流角和流速下的力学特性,从相干结构层面研究了尾流干扰机理,并分析了立柱尾流之间的空间相关性.结果表明:下游立柱的阻力系数平均值随流速变化而有较大波动;流场相干结构以流向涡和发夹涡为主;相干结构之间的相互作用是导致尾流干扰的原因;上下游立柱尾流具有不同的相干结构,但两者仍有较强的空间相关性.研究结果可为深入理解多柱式海洋平台绕流现象提供理论参考.     

基于环境等值线法的海上浮式风机长期极限响应预测

为保证海上浮式风机在复杂的风浪环境载荷作用下正常服役,需要评估海上浮式风机的长期极限响应。通过实测风浪的联合概率分布,利用基于逆一次可靠度法(IFORM)和逆二次可靠度法(ISORM)的环境等值线法获取环境工况组合,模拟风机短期响应并结合Gumbel极值分布计算风机长期极限响应,实现了对海上浮式风机50 a重现周期的极限响应预测。研究结果表明:风浪联合作用下,随着平均风速增大,平台纵荡运动、叶根面外弯矩和塔基前后弯矩出现了先增大后减少的趋势;随着有义波高增大,平台纵荡运动最大值和平均值、塔基前后弯矩最大值也随之增大;与基于IFORM的环境等值线法相比,基于ISORM的环境等值线法可以涵盖更多的环境工况组合,得到更大的浮式风机长期极限响应,进一步提高了风机结构设计安全性。     

海上浮动风力发电机组支撑结构的动力学与振动控制研究(英文)

海上风能是可再生能源领域中增长最快的一种能源.与海岸边与近海处相比,远离海岸处的风更强、且更稳定,因此坐落在离海岸足够远处的海上风电场可以产生更多的风电、具有更长的运行寿命.它可以避免传统风电场的一些重大问题,比如视觉和噪音影响、对野生动物的潜在伤害等;但从技术角度看,直接在海底固定风力涡轮机是比较困难的.为此,提出了一些基于浮动支撑结构的建设性解决方案.这些方案面临着一个重要挑战,即减少浮动海上风力发电机组的磨损、确保其在浮动支撑机构引起的各种状况下都能正常工作.与底端固定的支撑机构相比,浮动支撑机构的运动范围被扩大了很多.首先分析了浮动支撑结构的负荷和动态响应,并设计了半主动控制器来减弱浮动风力涡轮机上的动态风力和波浪负载;然后提出采用输出反馈控制策略,避免了对系统状态的依赖.用H∞输出反馈控制技术来设计半主动控制算法,并运用一个调谐液柱阻尼器(TLCD)实现了该算法.通过数值模拟,对所获得的结果进行了验证.     

海上风机基础设计方法研究

主要针对海上风电场的风机基础设计进行研究。为保证海上风机基础的适用性,将选取不同深度的海域分别进行研究。根据3.0,MW风力发电机的详细参数,对单桩式、独腿三桩式和导管架式三种基础型式分别进行结构计算分析。通过对不同海上风机基础的分析论证,提供海上风机基础的设计思路。     

海上浮式风机载荷计算与动力学分析研究综述

海上浮式风机是目前最具开发潜力的新型风电技术,能为蕴藏丰富的深海风能开发提供有效的解决方案.由于浮式基础的大幅度运动、缆索的非线性大变形、叶片和塔架的大柔性及叶片承受的巨大运行风载荷,使得风浪流载荷作用下海上浮式风机系统耦合动力学分析面临着巨大的挑战.考虑到海上浮式风机特有的运动和体型特征,论述了海上浮式风机水动力学、气动力学、锚泊系统动力学和刚柔耦合动力学分析等方面的研究进展,阐明了现有载荷计算和动力学分析方法存在的局限性和可能的解决方法,指出未来应从全局系统出发研究水动力学、气动力学和结构动力学耦合问题,从而发展并形成海上浮式风机的专业分析方法与工具.     

浮式风机系统水-气动力耦合分析方法

将浮式风机系统中浮体的水动力分析模块与风力发电机的空气动力分析模块整合,提出了适用于深水浮式风机系统的全耦合动力响应分析方法.浮体水动力计算采用基于二阶精度的混合波浪模型(Hybrid Wave Model)的MORISON公式,锚泊系统采用细长杆理论通过非线性有限元方法实现,风机系统的空气动力分析采用基于多体气动弹性理论的FAST模块.以浮体控制方程为主体,通过模块间的载荷与位移传递在每个时间步上迭代求解,形成完全耦合的时域分析方法.通过对某SPAR风机系统在随机海况下进行了系统水动力响应分析,并与现有的三维势流理论的结果进行了比较,验证了数值分析方法的有效性.最后,对系统的动力响应进行了水-气动力的全耦合数值分析.结果表明,该方法能有效地分析浮式风机各子系统间的混合动力作用,可用于海洋风电系统开发.