涡激共振对Spar型浮式风机运动响应的影响

摘要

风能是海上储量巨大且可再生的绿色能源，风电的大规模开发日益受到各国的重视。深海的风电设备普遍采用浮式风机基础，因此对浮式风机系统动力响应的研究具有重要理论与工程意义。 本文总结了当前浮式风机基础结构的基本形式，并介绍了国内外对浮式风机系统的动力响应和涡激运动的研究现状与不足。本文以美国国家能源部可再生能源实验室(NREL)公布的 5MW 水平轴风机作为风机模型，以 OC3 项目提出的Hywind结构作为浮式基础，展开涡激及风浪流联合作用下的风机运动响应研究。 本文采用Fluent软件，进行圆柱绕流仿真，对海流作用在Spar型浮式基础上的涡激力进行了直接模拟。采用刚柔耦合的多体动力学模型，分析了 Spar 型浮式风机的涡激运动特性，并针对锁频现象对涡激运动的影响进行了研究。考虑风浪流的共同作用，建立 Spar 型浮式风机考虑涡激、波激、空气动力载荷及系泊系统联合作用的非线性耦合运动的数值模型，计算了当涡激频率相近于 Spar型基础横荡固有频率发生涡激共振时，风机的运动响应，分析了涡激力对 Spar风机运动响应的影响和风浪对涡激运动的影响。针对海上浮式风机的不同作业状态，对额定工况和最大作业工况下浮式风机的动力响应进行了对比分析，模拟了不同的流向角对Spar型浮式风机的动力响应的影响。 研究结果表明，发生锁频现象时，流致涡激力会对 Spar 型浮式风机的运动产生很大的影响，主要表现在会大幅度增加横荡和首摇的运动幅度，而对纵荡和纵摇的运动有所抑制，涡激力的存在引起系泊张力增加。而风浪流联合作用下，流向角的变化也会激发Spar型浮式风机更大的纵荡运动响应。

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