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海上浮式风力机组空气动力学分析方法研究

海上浮式风力机组空气动力学分析方法研究

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作者：朱康志哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

随着全球能源需要的不断增长及海上风电技术的不断发展,海上风力发电机的单机容量逐渐增大,安装位置也由近海逐渐走向深海,对于漂浮式风力机的研究也引起了人们越来越多的关注。浮式风力机不同于固定式风力机,其受海上风浪流等环境载荷... 详细信息

随着全球能源需要的不断增长及海上风电技术的不断发展,海上风力发电机的单机容量逐渐增大,安装位置也由近海逐渐走向深海,对于漂浮式风力机的研究也引起了人们越来越多的关注。浮式风力机不同于固定式风力机,其受海上风浪流等环境载荷影响会产生幅值较大且较为复杂的运动响应,因此针对浮式风力机气动性能计算方法的研究也是十分必要的。本文针对漂浮式风力机提出了一种基于大地坐标系的叶素动量理论改进方法(G-BEM),并以OC3 Hywind-NREL 5MW浮式风力机为研究对象,对G-BEM法进行各种风况及六自由度运动下的计算结果验证,并针对浮体运动对风力机气动性能的影响进行研究讨论。G-BEM法需要将风力机可能影响到的流管区域进行网格划分,求解出每一个网格中心点对应于风力机盘面上的(r,θ)值,并根据传统叶素动量理论计算出的诱导速度在盘面上分布情况,从而得到每一个网格中心位置的诱导速度,对其进行非定常修正,通过分析风力机盘面运动对流场的扰动,可以得出风力机盘面所受到的载荷、扭矩情况。首先,建立了海上浮式风力机坐标系统,讨论了六自由度运动对于风力机盘面上任意位置的相对入流、旋转速度的影响,并基于上文理论方法编写了完整的G-BEM法计算程序,并针对其中传统叶素动量理论部分与GH-BLADED软件进行比对验证。其次,针对盘面不同倾斜情况及来流风况条件,对G-BEM法进行固定式风力机情况下的可靠性验证,分析各个工况下G-BEM法计算特点,并且研究讨论不同工况对于风力机气动性能的影响。最后,研究了风力机六自由度运动对风力机盘面受力、扭矩及平台重心受力矩的影响规律。通过与STAR-CCM+软件及BEM程序计算结果的对比,对G-BEM法在各个自由度下计算的可靠性进行了验证,并对相应参数时域平均值、变化幅值进行量化分析,为后续应用该创新算法加入塔架、浮式平台、系泊等计算模块建立全耦合分析程序提供了依据及基础。

关键词：漂浮式海上风力机叶素动量理论改进法非定常流管法 CFD

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