本文以實際工程項目為例,研究漂浮式海上風力機在數值仿真過程中的關鍵技術。通過建立等效推力模型等手段,實現工程樣機的數值建模并進行典型工況的動力響應分析。本文的研究成果可以有效解決實際工程項目中浮式風力機數值模型建立的難點,對促進我國風電產業技術發展,加速我國海上風電商業化進程具有重要意義。

浮式風力機數值模型建立方法 

目前,對于風力機氣動載荷的計算大多采用葉素-動量理論,盡管該方法無法給出葉片翼型附近的流場信息,但是,其計算簡便效率高,廣泛應用于浮式風力機工程計算。水動力載荷的分析則主要基于三維勢流理論,采用海洋工程領域常用的水動力分析軟件求解浮體水動力系數,進而進行時域水動力分析。由于三維勢流理論無法考慮浮體的黏性效應,軟件采用Morison方程的拖曳項模擬浮式風力機的黏性阻尼。

浮式風力機系統結構形式復雜,既包括了葉片、塔柱和傳動軸等柔性構件,又包括了機艙和浮式基礎等剛性結構。因此,不同數值仿真軟件對于浮式風力機系統結構動力學模型的建立區別較大。目前,對于浮式風力機整體結構采用的建模方法主要有多體方法和有限元方法,對于葉片和塔柱等彈性體動力響應的求解則主要采用模態法和有限元方法。

海上浮式風力機數值仿真模型建立

本文以某浮式風力機工程項目為例,針對海上浮式風力機工程樣機在數值仿真過程中的關鍵技術進行研究。浮式風力機系統的結構形式如圖1所示,整個系統上部設置7.25MW風力發電機,底部采用四立柱半潛型浮式基礎。系泊系統的布置情況如圖2所示,在每個邊立柱的底部設置3根系泊錨鏈,采用3×3的懸鏈線式系泊。

圖1 浮式風力機結構示意圖

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圖2 浮式風力機系泊系統布置圖

水動力模型的建立

在AQWA中建立浮式基礎的水動力模型如圖3所示。基于三維勢流理論計算浮式基礎的水動力系數,包括靜水恢復力系數、附加質量和阻尼系數以及一階和二階波浪載荷傳遞函數,其中0°入射方向下一階波浪載荷傳遞函數的計算結果如圖4所示。

圖3 浮式基礎水動力模型

圖4 波浪入射方向為0°時的一階波浪載荷傳遞函數

動力響應分析

建立海上浮式風力機數值仿真模型,計算極端停機工況下浮式風力機的運動響應。環境載荷方向的定義如圖5所示。環境參數具體數值為:50年一遇風速60m/s;有義波高12m,譜峰周期14.4s,譜峰因子2.2;表面流速2.18m/s。風浪方向均為0°,表面流向為-180°,模擬時間為3600s。計算結果如圖6所示。

圖5 環境載荷方向定義坐標系

圖6 極端停機工況下浮式風力機運動響應

參考文獻：曲曉奇,李紅濤,唐廣銀等.海上浮式風力機動力響應分析與數值仿真關鍵技術研究[J].海洋工程裝備與技術,2023,10(02):72-78.

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