新型Spar浮式风机气动-水动-系泊全耦合数值分析

【摘要】：为了实现人类社会的可持续发展,全球各国都将目光投向了新能源领域,而在各主流新能源中,风能是最具前景的新能源之一。现今风能的利用仍以陆上风电为主,但与其相比,海上风电拥有不占用土地资源,储量巨大,电力传输便捷,不影响居住环境等优点,且离岸越远其优势越明显。但随着离岸距离和水深的增加,传统的固定式风机的成本和建造安装难度直线上升,在这种情况下浮式风电应运而生,海上浮式风电的发展是新能源发展的必要一步,正受到越来越多的关注,现已成为能源领域的研究热点。本文以一新型Spar浮式风机为研究对象,通过气动-水动-系泊全耦合数值仿真模拟对其动力特性进行分析,主要研究内容如下:首先通过ANSYS AQWA建立新型Spar浮式基础的频域水动力模型,计算得到其六自由度附加质量、辐射阻尼、一阶波浪力和幅值响应算子等水动力数据,并将其幅值响应算子与传统Spar浮式基础进行对比,结果表明新型Spar浮式基础的水动力性能,特别是垂荡和纵摇方向的水动力性能良好。之后由FAST和OrcaFlex软件建立新型Spar浮式风机的气动-水动-系泊全耦合时域分析模型,通过模拟风机的六自由度自由衰减运动算得其各自由度的固有频率,并进行新型Spar浮式风机在风浪联合作用下的时域数值模拟,计算得到其在正常工况和恶劣工况下的六自由度运动响应、机舱加速度响应、系泊缆张力响应、塔底和叶根处载荷响应。由其动力响应数据的时域和频域分析总结得出风浪条件与风机各动力响应之间的规律。结果显示,新型Spar浮式风机的各动力响应均在合理范围之内,发电功率输出正常,满足安全性要求,性能良好。最后分析了新型Spar浮式基础主要结构尺寸对其运动特性的影响,结果表明新型Spar浮式基础的浮体尺寸和立柱尺寸与其运动性能密切相关,简单总结了相关规律,为新型Spar浮式基础的设计提供了参考。