半潜式浮式风机动力响应机理的理论与模型试验研究

摘要

由于环境污染、能源危机、可持续发展等议题日益成为人类社会生活的中心内容，风电产业正受到全世界愈来愈多的关注。实际上，陆基风力发电的商业化运作已经取得的巨大成功，已经成为一些地区的支柱型能源。然而，陆基风力发电的视觉、噪声污染却长期以来饱受诟病；而且由于陆地风场先天性缺陷（低平均风速、高湍流度），工业界难以高效地利用风力资源。在这样的背景条件下，风电产业正谋求向深水风场进军并创造性地提出了浮式风机平台这一全新的海洋工程装备概念。
　　本文对一半潜式浮式风机平台（OC4-DeepCwind）在典型风、浪条件下的运动、载荷响应性能进行了全面的分析与研究，并自主开发了一套时域耦合分析程序——Wind-SKLOE作为浮式风机系统动力学响应的预报工具。在此基础上，本文开展了相应的模型试验研究，充分讨论了模型制造、尺度效应等核心议题并通过试验数据验证了该耦合分析程序的预报精度。最后，文章利用数值工具 FAST对该浮式风机系统在非正常工作状态下的动力学性能进行了研究。本文具体研究内容如下：
　　1.首先全面、详实地介绍浮式风机系统这一全新的概念，重点阐述其在工程应用上的挑战与不同研究方法。
　　2.开发耦合动力学时域模拟程序（Wind-SKLOE）预报浮式风机系统的运动相应。水动力学数值模型基于线性势流理论，并通过叶素动量理论计算气动载荷。由于自由液面的记忆效应，辐射波浪力与浮体历史运动相关，Wind-SKLOE中采用脉冲响应理论对其进行模拟。此外，通过引入动态尾流模型对气动力学中的动态效应进行修正。
　　3.以 OC4-DeepCwind半潜浮式风机系统为研究对象开展相应的模型试验研究，详细介绍试验设计思路以及操作过程。着重讨论在Froude数相似条件下由于Reynolds数不相似所导致的气动力载荷不匹配问题以及修正方法。
　　4.通过模型试验测量数据对自主开发程序的预报精度进行验证，讨论该程序的适用性与局限性
　　5.通过数值工具FAST对OC4-DeepCwind浮式风机系统在非正常工作条件下的独特响应特性进行研究，重点讨论机舱内部传动机构强制关闭后的瞬态效应。

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第一章 绪论

1.1概述

1.2海上风力发电概况与应用挑战

1.3浮式风机系统研究进展

1.4研究内容以及创新点

第二章 OC4-DeepCwind半潜式浮式风机系统概述

2.1浮式风机系统介绍

2.2本章小结

第三章 浮式风机耦合动力响应机理研究

3.1耦合动力学模块

3.2水动力学模块

3.3空气动力学模块

3.4锚泊系统模块

3.5本章小结

第四章 浮式风机模型试验研究与试验结果分析

4.1模型试验介绍

4.2模型校核

4.3试验结果的分析与讨论

4.4本章小结

第五章 Wind-SKLOE数值模拟程序计算精度验证

5.1自由衰减测试

5.2白噪声测试

5.3风力机气动力学性能测试

5.4风与规则波

5.5风与不规则波

5.6本章小结

第六章 浮式风机在故障场景中的动力响应分析

6.1叶轮推力、扭矩

6.2浮式平台运动响应

6.3塔架瞬态结构响应

6.4本章小结

第七章 总结与展望

7.1研究内容与结论

7.2研究内容展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

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