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基于重叠网格方法的浮式风机系统气-水动力性能CFD分析

基于重叠网格方法的浮式风机系统气-水动力性能CFD分析

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作者：卢泽辉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

风能作为地球上最丰富和最广泛可利用的自然资源之一。目前风电领域的实际操作经验亦积累不足,且投入成本巨大,存在多种挑战。因此,开展研发适应我国近海海域作业环境的新型浮式平台,开展叶片气动力、平台水动力性能以及浮式风机系统的... 详细信息

风能作为地球上最丰富和最广泛可利用的自然资源之一。目前风电领域的实际操作经验亦积累不足,且投入成本巨大,存在多种挑战。因此,开展研发适应我国近海海域作业环境的新型浮式平台,开展叶片气动力、平台水动力性能以及浮式风机系统的气-水动力耦合模拟的研究分析来提高其对海洋环境的可适性和发电稳定性是十分有必要的。本文针对两款适应我国近海区域环境,提出适用于130 m水深的海上浮式风机平台进行水动力数值模拟。介绍两款浮式平台的几何外型以及各自配置的系泊系统,利用CFD软件与Moor Dyn模块进行耦合计算设置。基于重叠网格、DFBI模型实现浮式平台自由衰减运动数值模拟。对两款浮式风机平台在六个自由度上的自由衰减运动进行数值模拟,得到自由衰减运动的运动时程曲线。对运动时程数据作傅里叶变换得到两款平台各自由度上的自振周期,选择垂荡、纵荡、纵摇三个主要的运动计算阻尼比值。可知两款平台有良好水动力性能。基于Stokes五阶波模拟三种规则波环境载荷,基于重叠网格、DFBI方法实现浮式平台的在波浪池中的运动及波浪与浮式平台的相互作用。得到六自由度运动中的垂荡、纵荡、纵摇运动的运动时程曲线以及系泊点1、2的系泊张力数据并计算RAO值。分析得到浮式平台在垂荡运动上的幅值变化更大一些,这可能是由于垂荡自由度的周期较小与波浪周期相近产生共振导致的,并且得出纵荡运动是平台六自由度运动中幅值最为显著的运动。利用Solidworks软件对DTU 10MW风机与两款浮式风机平台分别建模组成浮式风机系统,在波高7.58 m,周期12.1 s的规则波浪叠加11 m/s的风的共同作用下进行气-水动力耦合数值模拟,得到风机叶片推力、功率的时程数据,浮式平台垂荡、纵摇、纵荡运动的时程曲线,系泊点1、2的系泊张力数据。将浮式风机系统气-水耦合作用模拟的动力响应幅值、风机推力、风机发电功率与气动力模拟风机推力及发电功率、水动力模拟浮式平台的运动响应进行比较,得出浮式风机系统耦合模拟与非耦合模拟之间存在差异,气-水动力耦合的环境荷载会使浮式风机的纵荡和纵摇运动出现较大增幅,垂荡运动增幅相对较小。耦合荷载作用与仅受气动荷载作用的风机相比,风机推力及发电功率会出现增幅且出现更大的波动,由于风机受到浮式平台较大幅纵摇、纵荡运动所引起的。

关键词： CFD 浮式风机系统水动力性能重叠网格气-水动力耦合模拟

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