海上浮式风力机气动性能的数值模拟

摘要

本文从研究方法、仿真软件以及国内外的研究进展三方面综述了海上浮式风机气动性能的研究背景，并介绍了浮式风机气动荷载模拟的基本理论。以OC3-Hywind Spar浮式平台和NREL5MW风机为研究对象，在STAR-CCM+软件中完成风机三维流场的数值建模与计算，包括风机叶片的三维气动模拟、平台运动对风机气动性能的影响以及Spar浮式风机在风浪场中的耦合气动-水动模拟。　　首先建立NREL5MW风机的几何模型，并在CFD软件中完成风力机流场的数值建模。采用k??（SST）湍流模型，分别使用MRF法和滑移网格法模拟风机叶片的旋转，开展网格无关性验证以及不同风速工况的数值模拟，以验证模型的可靠性。此外还分析了垂直风剪切以及塔影效应的影响。在此基础上，以OC3-Hywind Spar浮式风机为对象，采用重叠网格技术模拟浮式平台的运动，研究三个自由度运动对浮式风机气动性能的影响，包括纵荡、纵摇和首摇运动。计算结果表明：浮式平台的纵摇和纵荡运动对风机发电量的影响非常大，而首摇运动对整体气动荷载的影响较小，开发适用于浮式风机的变桨控制系统以及合理调节平台运动特性对保证风力发电的稳定以及风机结构包括塔架、叶片和减速齿轮的疲劳寿命都有重要意义。最后模拟Spar浮式风机在耦合风-浪场中的气动性能，包括整体数值模型的建立，浮式平台的水动力测试以及在风浪的联合作用下的气动-水动耦合模拟。气动-水动耦合模拟的结果表明：（1）受塔影效应的影响，功率与推力曲线按1/3的叶轮周期进行波动，塔影效应对风机输出功率的影响较小。（2）平台纵摇运动周期与波浪周期基本一致，当风机往上风向纵摇时，功率与推力增加，反之亦然。（3）由于风机推力的影响，纵荡和纵摇的平衡位置均偏向下风向。波浪荷载与风机推力处于同一量级，而塔架风荷载相对较小。

目录

声明

答辩决议书

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 海上风机气动特性研究的关键技术与进展

1.3 论文的研究内容与意义

1.4 论文章节安排

第二章 海上浮式风机气动荷载模拟的基本理论

2.1 风机的空气动力学

2.2 CFD理论基础

2.3 海上浮式风机系统的基本理论

2.4 本章小结

第三章 海上风机叶片三维气动性能分析

3.1 风机参数与几何建模

3.2 计算工况的数值模拟

3.4 风剪切对风机气动性能的影响

3.5.风机的塔影效应

3.6 本章小结

第四章 浮式风机在平台周期运动下的气动荷载模拟

4.1 浮式风机流场的坐标系定义

4.2平台纵荡运动的影响

4.3平台纵摇运动的影响

4.4 平台首摇运动的影响

4.5 本章小结

第五章 Spar式风机在风浪耦合场中的气动性能分析

5.1 Spar式风机整体建模

5.2 平台水动力性能模拟

5.3 浮式风机的气动—水动耦合模拟

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文