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漂浮式海上风电机组非定常气动特性研究

陈子文  
【摘要】:能源需求增长与可持续发展理念推动了可再生清洁能源利用。风电作为可再生清洁能源发电的重要组成部分,具有较大发展潜力以及科研价值。海上风电在资源分布、空间和生态等方面具有独特优势,是未来风电规模化发展的方向。海上风电机组主要分为固定式与漂浮式风电机组。其中漂浮式风电机组通常应用在深远海域,为风电机组大型化发展提供良好的空间条件。漂浮式风电机组运行过程中,浮式平台在来流风、波浪、海流等作用下存在着六自由度运动,并带动风轮一起运动,风轮气动性能呈现出显著的非定常效应。研究和分析平台运动下风电机组的非定常气动与载荷特性,对海上风电设计和优化具有重要意义。六自由度运动中,以平台纵荡运动与平台纵摇运动对漂浮式风电机组气动性能影响最为显著。以NREL 5MW风电机组为研究对象,采用CFD方法,运用动网格与滑移网格耦合技术,通过四种正弦变化规律的平动模型、角运动模型控制运动规律,对漂浮式风电机组在不同振幅、频率的单自由度平台运动(纵荡或纵摇)和二自由度(纵荡-纵摇耦合)平台运动进行非定常气动特性数值模拟。通过与叶素动量理论、涡方法计算结果的对比,验证了所建模型以及数值方法的合理性。研究了不同平台运动下,风电机组的总体性能、截面气动载荷、攻角分布和流动特性,同时研究了不同相位的平台纵荡-纵摇耦合运动对风电机组气动性能的影响。研究发现,振幅和频率增大加剧了风电机组总体气动性能的波动,耦合运动下,叶片法向力和切向力主要受纵摇运动影响;平台中等幅度运动下,风电机组叶片内叶展和中叶展气动载荷较大,而外叶展在平台高幅运动下表现出较大的气动载荷波动性。平台运动通过改变风电机组叶片沿展向的攻角分布,进而影响各截面翼型的升阻力系数分布,最终作用于扭矩以及功率输出。平台运动增加了轮毂附近的速度梯度,并伴随着叶尖复杂的涡旋运动。大气边界层会对海平面以上的垂直风速分布产生作用,改变风剪切来流下的风廓线形状。这种改变不仅会影响风电机组输出功率,同时也会增加叶片展向气动载荷。首先针对α=0.1的固定风剪切指数下风电机组平台运动进行了研究,并与均匀来流进行对比。又考虑到不同海域海平面粗糙度、风速、大气稳定度的差异,进而对不同风速廓线指数(α=0.1、α=0.2、α=0.3)下的平台运动进行对比分析。结果表明,与均匀来流相比,风剪切工况下平台纵摇和纵荡运动的平均功率输出降低,但所受平均推力大小无明显变化,即在承受相同载荷下,风剪切作用会降低平均发电量。风剪切会使平台纵摇运动过程中展向截面的法向载荷幅值增大且波动加剧,但会降低与功率输出有关的切向载荷。风剪切作用推迟了平台纵荡运动过程中叶片展向截面法向和切向载荷的峰值相位。海平面来流工况会使风电机组运动更为复杂,对叶片结构也会造成显著影响,且考虑叶片尺寸较大,所以对海上漂浮式风电机组叶片形变与应力进行分析研究尤为重要。以NREL 5MW风电机组为研究对象,分别对流体域和固体域建立计算模型,并对固体结构进行模态校核。首先研究叶片展向载荷。再将非定常气动力计算结果加载至固体模型,得到叶片沿展向气动载荷变化以及叶片挥舞、摆振形变。最后分析等效应力,讨论叶片在不同平台运动作用下的应力分布。结果表明,所建立叶片固体壳模型可以较为准确的对叶片结构进行等效。平台多自由度运动下,叶片在前向与后向运动时形变量差异较大,显著增加叶片载荷波动。平台运动下,应力集中出现在中叶段的压力面。风剪切效应使得叶片沿展向的截面受力增加,加剧叶片形变随相位角的波动幅度,加剧叶片载荷波动,应力集中现象显著。海上风、浪、流等载荷联合作用引起的平台多自由度运动下,需要对风电机组叶片应力集中区进行结构强化。漂浮式风电机组运行时,会受到风、浪、流载荷的影响。首先基于频域分析方法对波浪衍射与辐射特性进行研究,再基于时域分析方法对平台运动响应进行研究。其中频域分析过程多为线性解或拟线性解,主要包括对平台响应振幅算子(RAO)、一阶波浪力、二阶平均漂移力、附加质量以及辐射阻尼系数等的分析。但在真实海况下,漂浮式风电机组平台运动特性往往体现为非线性,如摇、荡等平台运动,所以需要进行时域分析:通过对风电机组平台在给定海况下非定常特性进行数值模拟,可更好的反映漂浮式风电机组平台在真实海况下的运动响应。建立漂浮式风电机组动力学模型,实现机组平台运动响应求解。结果表明,纵荡、纵摇、垂荡三种平台运动下RAO随波频的变化与水池实验值吻合较好,验证了所建立半潜式基础的漂浮式风电机组模型的合理性。对于漂浮式风电机组半潜式平台,低频段对应的一阶波浪激励力波动较为强烈,且波浪入射角为0°和180°时,激励力较大且随入射波频增大而急速减小;高频段对应的激励力波动较为平缓最终达到稳定。得到了平台在风、浪、流联合作用下的运动响应,总结了系泊尺寸变化对运动响应和系泊力的影响规律。


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