基于FAST的漂浮式风机全耦合计算分析_沈勇.pdf
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1、第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言随着我国双碳目标的确定,风能作为一种可再生能源,在国家的能源战略中扮演着越来越重要的角色1。海上风电优势独特,风场广阔风力稳定、风电机组单机容量大,尤以浮式风机最为热门,浮式风机平台种类多样,可大致分为单柱式平台、张力腿平台、驳船式平台和半潜式平台2,各种平台有各自的优点和局限,海上浮式风机的探索和研究已然成为目前双碳背景下的研究重点。利用数值仿真软件对浮式风机进行计算是目前最主流的研究方式,国内外学者已
2、经取得了相当多的成果。赵书晨3通过 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,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。王禅等4研究了风、浪作用下TLP 浮式风机平台响应特性,结果表明,平台运动致使风荷载波动幅度增大,风荷载幅值在波频处出现峰值。高巍等5以 OC3 Hywind Spar 基础浮式风机为研究对象,采用气动、水动耦合时域分析方法,研究南海某海域下浮式风机的系泊系统、运动响应等,结果表明,相比于湍流风,采用定常风进行浮式风机系基于FAST的漂浮式风机全耦合计算
3、分析沈 勇,潘伟宸,刘传艺(中船澄西船舶修造有限公司 综合技术部,江苏 江阴 214400)摘 要:为了分析漂浮式风机的风机系统与基础平台相互影响的数值规律,选取 OC4 DeepCwind 半潜式平台和 NREL 5MW 风机,利用开源软件 FAST 进行全耦合分析计算。结果表明,风机的自身转动使平台的运动偏离原有平衡位置,偏移量与风速大小有关,但垂荡运动不受影响;平台轴向移动对风机的影响较小,而平台的绕轴转动对风机气动载荷的影响显著。系泊系统受力情况与风载荷相关,0 风向下,直接迎风的 1 号系泊缆张紧,受力与风速呈正比,2 号、3 号系泊缆松弛,受力与风速呈反比,值得注意的是,3 根系泊
4、缆受力总和始终保持不变。关键词:漂浮式风机;半潜式平台;FAST;气动载荷;系泊张力中图分类号:U661.32 文献标识码:A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.025引用格式 沈勇,潘伟宸,刘传艺.基于 FAST 的漂浮式风机全耦合计算分析 J.船舶物资与市场,2023,31(1):75-79.收稿日期:2022-08-22 基金项目:扬州科技局绿杨金凤项目(YZLYJFJH2021CX021)作者简介:沈勇(1994-),男,硕士,助理工程师,研究方向为浮式风机设计制造。泊系统分析将得到偏于危险的结果,并且,浮式风机运动响应与风机载荷结果偏小。闫发锁等6提出了
5、一种深水浮式风机全耦合计算的分析方法,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,并验证了该方法的准确性。基于目前的研究成果,本文选用经典漂浮式风机平台 OC4 DeepCwind 半潜式平台,利用开源软件 FAST,考虑风、浪联合作用,耦合系泊受力,计算其气动载荷和平台水动力载荷,并分析其相互影响的关系。1 基本理论1.1 势流理论基本方程势流理论的核心在于假定流场无旋有势,流场的速度势函数可以被列出,速度势函数需要
6、满足:V=0,(1)式中:u,v,w 均为V 的速度分量,u=/x,v=/y,w=/z 则得到拉普拉斯方程:2 2 2 x2 y2 z2+=0。(2)辐射/绕射理论认为,速度势函数可视为入射波浪船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 76 势 I (x,y,z,t),绕射波浪势 D (x,y,z,t)和辐射波浪势的线性叠加,即满足:=I+D+R。(3)1.2 叶素动量理论在叶素理论中,风机叶片在径向被划分为无数部分,每一部分即被称为一个叶素。风机运行时,叶片在叶轮平面旋转,其平面亦可划分为无数的环形区域,假定每一圆环都是相互独立的,即叶素与叶素之间没有能量的交换和力的相互作用,就此实现了三维叶
7、片在平面内的分析,即计算某一叶素的受力,沿叶片径向积分,可得到叶片整体的受力7。叶素的相对来流速度为:W=V 2(1-a)2+2r(1-a)2,(4)式中:V为风速;为叶片转动角速度;a 和 a 分别为叶片轴向和周向的诱导因子。叶素对应的升力 FR和 FD阻力可表示为:FL=CL AW 212,(5)FD=CD AW 212。(6)式中,CD和 CL均为通过叶片攻角和雷诺数求得的特征系数,随攻角改变。叶片攻角 可表示为:=-,(7)式中:为叶素速度和叶轮面的夹角,为叶素速度和弦线的夹角,叶素轴向推力和转矩可表示为:dF=NW 2Cndr12,(8)dM=NW 2Ct rdr12。(9)式中:N
8、 为叶片数;C 为叶弦长度;Cn和 Ct分别为推力和转矩计算系数,表达式如下:Cn=CL cos+CD sin,(10)Ct=CL sin+CD cos。(11)2 漂浮式风机气动载荷计算对比验证分析2.1 漂浮式风机模型及主尺度本 文 选 取 美 国 可 再 生 能 源 实 验 室 发 布 的 OC4 DeepCwind 半潜式平台,该平台设计有 4 根立柱,风机主体置于中柱上,3 根边柱底部又设计有圆柱形的垂荡板用以减小平台运动。平台模型及主尺度分别如图 1 和表 1 所示8。图 1 OC4 DeepCwind 平台结构示意图表 1 平台主尺度项目数值浮筒直径/m12压水桶直径/m24中柱
9、直径/m6.5浮筒间距/m50横撑/斜撑直径/m1.6压水桶高度/m6浮筒高度/m26吃水深度/m20基础质量/kg13473000平台横摇转动惯量/kgm26.827E9平台纵摇转动惯量/kgm26.827E9平台艏摇转动惯量/kgm21.226E10拖曳力系数0.6 塔架为 1 根圆台形混凝土结构物,置于平台中柱上,与平台法兰连接。风机为 NREL 5MW 风力机,其主尺度如表 2 和表 3 所示。表 2 NREL 5MW 风机系统主尺度 参数数值额定功率/MW5风轮方向/叶片数上风型,3控制策略 变速、变桨风轮/轮毂直径/m126,3轮毂高度(距塔基)/m90切入/额定/切出风速/(m/
10、s)3,11.4,25切入/额定转速/(r/min)6.9,12.1额定叶尖速/(m/s)80第 1 期 77 表 3 塔架参数表参数数值塔柱高度/m77.6塔顶至水线面距离/m87.6材料密度/(kg/m3)8500塔底/塔顶直径/m6,3.87塔柱质量/kg249718塔柱重心距塔基/m33.4塔柱结构阻尼比/%1 2.2 气动载荷对比分析浮式风机全耦合运动需要给定风场和波流场,本文主要考虑风-浪联合作用,工况如表 4 所示。表 4 工况表工况风速/(m/s)波高/m周期/s波长/m入射角/()184101560211.44101560图 2(a)为该浮式风机在不同风速下的气动载荷时历曲线
11、,可以看出,当风速 Wind U =8 m/s 时,此时气动推力约为 500 kN,当 Wind U =11.4 m/s 时,气动推力为 875 kN。对比图 2(b)的 NREL 5MW 风机气动推力图谱可以看出,FAST 所计算的数值解基本吻合了官方给出的数据,误差小于 3%,可以认为基于 FAST 的漂浮式风机全耦合计算具有较高的精确度。Tension/knWind U=8 m/sWind U=11.4 m/st/s(a)风机气动推力时历曲线Tension/knWind U/(m/s)(b)NREL 风机气动推力图谱图 2 气动推力对比图3 漂浮式风机全耦合计算分析3.1 平台水动力性能
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