张力腿型浮式风力机气动-水动-非线性刚度耦合动力响应研究

摘要

风能作为一种环保能源，拥有着可持续再生的特点，海上的风更是因其更快、更稳定的速度而蕴含巨大的能源价值，沿海各国使用海上浮式风力机发电的情况日益普遍。因此对浮式风力机系统动力响应的研究具有重要理论与工程意义。 本文以由NREL（National Renewable Energy Laboratory）提出的5MW风力机与麻省理工学院提出的TLP（Tension Leg Platform）型浮式基础组合而成的TLP型浮式风力机为研究对象，考虑由风力机的水平运动即纵荡、横荡和艏摇运动所引起的下沉运动，建立耦合非线性刚度矩阵。应用MATLAB开发数值计算工具，计算TLP型浮式风力机的运动响应，得到风力机运动的时间历程和频谱特性。研究了在规则波作用下波高、水深、吃水、湍流风等因素对于风力机运动响应的影响。采用JONSWAP海浪谱对随机波浪进行模拟，考虑一阶、二阶波浪载荷、风载荷以及空气动力载荷的作用，求解TLP型浮式风力机在随机波、风浪联合作用以及空气动力作用下的各自由度运动响应时间历程曲线与响应频谱图，并对各工况结果进行分析讨论。应用改进的相位角调制法生成畸形波，基于气动-水动-非线性恢复刚度耦合分析模型，计算求解畸形波作用下，不同波浪成分引起的风力机的波浪载荷及运动响应，分析了畸形波对于风力机的运动与张力腿动张力的影响，并研究了浮式风力机的空气动力性能。 计算结果表明，在湍流风的作用下，风力机在纵荡、垂荡、下沉自由度发生明显的低频运动，而在纵摇自由度发生明显的高频运动。二阶波浪载荷引发或者加大了风力机纵荡、垂荡、纵摇自由度的共振运动。下沉运动的非线性性质以及其与水平运动的耦合关系分别引发了下沉自由度的倍频运动及低频运动。在风浪联合作用的条件下，定常风体现出了气动阻尼的特性，使得纵荡在低频范围内、纵摇运动在高频范围内幅值有所下降，但由于风载荷引起纵荡平衡位置的改变，加大了下沉运动，使得垂荡运动的低频与波频响应增大。在畸形波作用下，浮式基础的运动受到了显著的影响。其中浮式基础的纵荡主要受到二阶差频波浪载荷的影响，纵摇受到二阶和频波浪载荷的影响，而垂荡在下沉运动的作用下显著增大。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 海上浮式风力机

1.2.1 浮式风力机的主要型式

1.2.2 浮式风力机的载荷与运动研究

1.3 TLP型浮式风力机

1.3.1 TLP平台相关研究

1.3.2 TLP型浮式风力机相关研究

1.4 本文研究内容

第2章 海上浮式风力机的基本理论和分析方法

2.1 波浪载荷计算理论

2.1.1 Airy波理论

2.1.2 随机波浪理论

2.1.3 三维线性势流理论

2.1.4 波浪载荷的计算

2.2 风、流载荷计算理论

2.2.1 风载荷的计算

2.2.2 流载荷的计算

2.3 空气动力载荷计算理论

2.3.1 贝茨(Betz)模型

2.3.2 叶素-动量理论

2.3.3 气动载荷的修正

2.4 浮式风力机运动响应计算方法

第3章 TLP型浮式风力机的运动控制方程

3.1 运动控制方程

3.2 质量矩阵

3.3 阻尼矩阵

3.4 刚度矩阵与张力腿系泊恢复力

3.5 浮式风力机参数与自由衰减数值模拟

3.5.1 浮式风力机参数

3.5.2 自由衰减数值模拟

第4章 规则波作用下风力机的运动响应

4.1 引言

4.2 定常风作用下风力机的运动响应分析

4.2.1 不同波高下风力机的运动响应

4.2.2 不同水深下风力机的运动响应

4.2.3 不同吃水下风力机的运动响应

4.3 湍流风作用下风力机的运动响应

4.4 本章小结

第5章 随机波作用下风力机的运动响应

5.1 引言

5.2 随机波的模拟

5.3 随机波作用下风力机的运动响应

5.4 风浪联合作用下风力机的运动响应

5.5 叶片气动载荷对于风力机运动的影响

5.6 本章小结

第6章 畸形波作用下风力机的动力响应与气动性能

6.1 引言

6.2 畸形波的模拟与计算工况

6.3 畸形波作用下风力机的动力响应分析

6.4 畸形波对风力机运动响应的影响分析

6.5 畸形波对张力腿动张力的影响分析

6.6 风力机空气动力性能

6.7 本章小结

第7章 总结与创新点

7.1 工作总结

7.2 创新点

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢