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强非线性波浪力及风场尾流效应耦合作用下浮式风机极限载荷研究

批准号:
52101314
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
徐晓森
依托单位:
学科分类:
海岸工程与海洋工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
徐晓森

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
随着海上风电逐渐从浅海向深海发展及风机大型化发展,叶片长度增长、柔性增大、几何非线性效应显著增加,浮式风机在环境载荷下将产生更为复杂的动力响应。此外,风场中尾流湍流强度的增加会改变受尾流效应影响风机的极限和疲劳载荷,因此研究受尾流效应影响的浮式风机动力响应非常重要。本项目旨在构建15MW超大型张力腿支撑平台及系泊筋腱,建立张力腿型浮式风机全耦合模型数值计算模型,研究超大型浮式风机动力学机理;建立张力腿型浮式风机的ringing载荷计算模型,揭示环境载荷及ringing影响下浮式风机空气动力-水动力-控制-结构动力-系泊的运动响应机理;研究风场尾流效应和ringing载荷对张力腿型浮式风机的耦合作用机制,掌握浮式风机在尾流效应及ringing耦合影响下的极限及疲劳载荷预报方法;研究不同形式的风场布置方案对风场效率和极限载荷的影响,为浮式风场布置提供技术支撑。
英文摘要
With the gradual development of offshore wind power from shallow water to deep water and the large-scale development of wind turbines, the length of the blades increases as well as the flexibility, and the geometric nonlinear effect increases significantly as the result. Floating wind turbines will experience more complex dynamic responses under environmental loads. In addition, the increase of wake turbulence intensity in the wind field will change the extreme and fatigue load of the wind turbine affected by the wake. Therefore, it is very important to study dynamic responses of the floating wind turbine under the effect of wind farm wakes. This project aims to construct a 15 MW ultra-large tension leg type support platform and mooring tendons, establish a fully coupled numerical calculation model of the TLP floating wind turbine, explore the dynamic mechanism of the ultra large scale floating type wind turbine; establish the transient ringing loads calculation model of the tension leg type floating wind turbine, and reveals the mechanism of aero-hydro-servo-elastic-mooring dynamic responses under the influence of environmental loads and ringing forces; investigate the interaction mechanism of wind field wake turbulence intensity and ringing loads on the TLP wind turbine, and study the calculation method of the extreme and fatigue load of floating wind turbines under the coupling influence of wake and ringing; study the influence of different types of wind farm layout schemes on wind farm efficiency and extreme loads, which provides technical support for the layout of floating wind farms.
随着海上风电逐渐向大型化发展,浮式风机受到更加复杂的动力响应,且尾流效应会影响下游风机的极限载荷和疲劳载荷。本项目研究了受非线性波浪力及尾流效应耦合作用下的浮式风机极限载荷,基于动态蜿蜒湍流模型建立了漂浮式风电场数值模型,采用合成湍流模型生成混合网格尺寸的环境风场,并与大涡模拟等高精度数值结果进行对比验证,通过流场瞬态可视化分析,研究了尾流蜿蜒效应对下游浮式风机的动力学影响,开展了浮式风机不同部位载荷对尾流蜿蜒效应的敏感性分析;结合已构建的浮式风电场数值模拟方法,考虑非线性波浪力开展浮式风场性能和尾流效应研究,结果表明疲劳载荷对风机之间的间距较为敏感。研究了上游浮式风机偏航角度及尾流二次转向对风力机发电量及结构载荷的影响,综合考虑了风场的发电效率及浮式风机的疲劳载荷,通过雨流计数法分别计算漂浮式风场中每台风力机的等效疲劳载荷,建立了量化评价模型,考虑二次尾流转向效应确定了不同风速对应下的最佳偏航角度。基于单变量平均条件穿越概率方法,比较了单体风机和受尾流风机的极限载荷,并与广义极值理论及广义帕累托方法进行对比,分析了每种方法得到的预测值及置信区间;提出了基于蒙特卡洛方法的双变量平均条件穿越概率方法,实现了浮式风机极端回归周期等值线的预测,建立了非线性波浪力及尾流耦合作用下的浮式风机极限载荷预报模型。
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