半潜式浮式风机系统流体动力性能研究

摘要

在可再生能源不断发展推进过程中，风能以其资源丰富，分布广泛，发电方式方便低廉等优势正在不断开发。与陆上风能资源相比，海上风能资源因为风力强、风速稳定、风切变小、不占用土地等优势而为人类所开发利用，随着风能资源的开发利用不断向深海处推进，漂浮式风力发电机，特别是深海处的半潜式浮式风机的发展已经逐渐成为热门研究方向。半潜式浮式风机漂浮在海面上自由运动，时刻受到海洋波浪的影响，从而对风机发电产生动态影响，使风机叶片的气动力载荷更加复杂，对半潜式浮式风机的性能分析和评估产生较大的困难。因此分析半潜式浮式风机的流体性能对于未来半潜式浮式风机的发展极为重要。
　　本文利用数值计算软件STAR-CCM+对半潜式浮式风机的气动力性能和水动力性能分别进行详细分析。
　　首先以NREL5MW风机为研究对象，利用UG软件进行风机建模，模拟研究风机在固定不动状态下受到的推力和输出功率，将结果与其他计算方法结果进行对比，验证计算方法;比较同一运动条件下，纵荡和纵摇运动对风机气动力性能的影响程度，并分别研究纵荡运动和纵摇运动对单独的风机叶片气动力性能的影响，对叶片截面翼型压力进行分析比较，研究了不同的运动幅度下风机推力与功率变化情况，并对风机尾涡分布以及速度分布进行研究分析。
　　然后研究了塔架对风机气动力性能影响，分别研究了纵荡运动和纵摇运动情况下带有塔架的风机叶片的压力系数，发现塔架的存在使翼型前缘压力系数降低，推力与功率曲线值均小于没有塔架情况下的推力与功率曲线，将风机尾涡进行比较发现，塔架使风机产生的尾涡出现破碎现象。
　　最后模拟分析半潜式浮式风机基础在波浪工况下的六自由度运动情况，将模拟结果与试验结果进行对比验证;分析研究垂荡板及其各项参数对半潜式风机基础的纵荡、纵摇、垂荡等自由度运动的影响情况，发现垂荡板的安装能够较好的降低半潜式浮式基础的垂荡和纵摇运动响应，并且垂荡板的大小、形状对浮式基础具有相应的影响;之后分析了风机整体结构在风浪工况下的运动以及气动力响应。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1论文研究背景及意义

1．2海上风机基础分类

1．2．1固定式风机基础

1．2．2漂浮式风机基础

1．3浮式风机研究现状

1．3．1浮式风机基础研究

1．3．2浮式风机气动力性能研究

1．4论文主要工作内容

第2章理论基础与半潜式风机的介绍

2．1数值理论基础

2．1．1基本控制方程

2．1．2湍流模型

2．1．3网格划分方式

2．1．4自由液面处理

2．2波浪理论

2．2．1线性波浪理论

2．2．2线性波浪验证

2．3半潜浮式风力机基本概念

2．3．1半潜浮式风力机主要组成部分

2．3．2半潜浮式支撑平台水动力参数

2．3．3风力机的气动力参数

2．4本章小结

第3章风机叶片的气动力性能分析

3．1．1风机叶片参数及网格划分

3．1．2固定式风机的气动性能分析

3．2不同运动形式的风机气动力性能分析

3．2．1不同运动形式的风机推力与功率曲线比较

3．2．2不同运动形式的风机尾涡分析

3．3纵荡运动对风机气动力性能的影响

3．3．1纵荡运动对叶片气动压力分布的影响

3．3．2纵荡运动幅度对风机叶片气动压力分布的影响

3．3．3不同纵荡幅度和风速对风机推力和功率的影响

3．3．4纵荡运动幅度对风机尾涡的影响

3．4纵摇运动对风机叶片的气动力性能分析

3．4．1纵摇运动对风机叶片气动压力分布的影响

3．4．2纵摇运动角度对风机叶片气动压力分布的影响

3．4．3不同纵摇运动角度和风速对风机推力和功率的影响

3．4．4纵摇运动角度对风机尾涡的影响

3．5本章小结

第4章塔架对风机气动力性能影响

4．1．1带塔架参数及网格划分

4．1．2带塔架风机不同运动形式的气动性能分析

4．2纵荡运动时塔架对风机的影响

4．2．1塔架对风机叶片气动压力分布的影响

4．2．2塔架对风机推力和功率的影响

4．2．3塔架对风机尾涡的影响

4．3纵摇运动时塔架对风机叶片气动性能的影响

4．3．1塔架对叶片气动压力分布的影响

4．3．2塔架对风机推力和功率的影响

4．3．3塔架对风机尾涡的影响

4．4本章小结

第5章半潜式浮式风机耦合性能研究

5．1浮式基础的结构参数及网格划分

5．2浮式基础的水动力性能分析

5．2．1静水自由衰减运动分析

5．2．2波浪中的运动响应分析

5．3．1垂荡板形状的影响分析

5．3．2垂荡板大小的影响分析

5．4．1风机模型及网格划分

5．4．2风浪工况下风机运动的结果分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢