浮式平台运动对风力机翼型气动性能的影响

摘要

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动对风力机的稳定运行及气动载荷分析具有重要意义.基于黏性不可压缩Navier-Stokes方程和k-ωSST湍流模型,数值模拟FFA-W3-211翼型在不同入射攻角下的气动性能,并将数值模拟结果与对应风洞试验结果进行对比分析,较好地验证数该值模拟方法的有效性.进一步利用滑移网格技术模拟风力机翼型随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机翼型与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值及运动频率对风力机翼型气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析.本文的主要研究成果将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用.随着浮式平台运动幅值的增加，风力机翼型的升力系数、阻力系数和扭转系数的响应幅值都有着显著增加。这主要是由于浮式平台的大幅值运动响应造成了翼型入射风速的较大变化，因此其对风力机翼型的气动性能产生了非常显著的影响。鉴于不同浮式风力机平台系统的运动响应幅值相差较大，建议在浮式风力机平台系统的整体设计中，有效控制风力机运行状态下平台的运动响应幅值，进一步优化风力机的变桨距控制策略，这将有利于保障浮式风力机的安全稳定运行，延长叶片结构的疲劳寿命。浮式海上风力机实际正常运行海况下的波浪频率变化范围较为有限，翼型随浮式平台运动频率变化范围相应较小，因此有限的运动频率变化对翼型气动性能的影响也较为有限。