2024中國可再生能源大會：浮臺運動工況下15MW級風力機氣彈響應特性分

作者：周樂，沈昕，杜朝輝研究背景研究背景2錄2錄研究方法與對象結果與討論結果與討論4總結與展望4總結與展望研究背景研究背景：風能產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢4/2362m117m課題背景：大型浮式風力機風的運行特點 大型浮式風力機的運行特點：1.浮臺運動和葉片形變相互疊加，使得風力機的氣彈耦合特性更加2.下一代的15MW級以上風電葉片長度突破百米，葉片大幅度非線研究現(xiàn)狀：風力機氣彈耦合模型6/23氣動模型結構模型通過求解NS方程，獲得流體域的詳細流動參數(shù)及風力機的氣動特性。計算精度較高，但計算效率低。通過結合動量理論及葉素理論求解風力機的氣動特性。計算效率高，但無法考慮風輪尾跡的真實外形。通過求解渦動量方程結合Biot-Savart定律求解風力機氣動特性。計算效率較高，考慮了尾跡的外形，但對尾流粘性做了簡化?；诮Y構動力學模型及有限元理論，求解葉片的形變特征。計算精度較高，但計算將葉片劃分成由虛擬連接副連接的有限段，基于多體動力學方程求解葉片的變形特征。將葉片視為懸臂梁，通過求解梁運動方程及求解葉片的形變特征?？梢詫崿F(xiàn)不同程l結構模型：能夠考慮大型復材葉片大幅度非線研究現(xiàn)狀：浮式風力機的氣動/氣彈耦合特性氣動研究氣彈研究采用CFD方法研究了浮式風力氣動研究氣彈研究采用CFD方法研究了浮式風力機的非定常氣動特性。Tranetal(2016)采用渦尾跡方法研究了浮式風力機的功率系數(shù)過沖問題。Wenetal(2018)采用CFD方法研究了浮式風力采用CFD方法研究了浮式風力機縱蕩過程中的渦環(huán)及螺旋槳采用BEM-歐拉伯努利梁模型研究了浮臺的縱蕩及縱搖運動對葉片變形及其載荷的影響。采用CFD-MBD方法研究了縱蕩過程中浮式風力機的功率及l(fā)關于浮式風力機氣彈的研究還多局限于基本氣動特性和葉片形變特性。1.TranTT,KimD-H.ACFDstudyintotheinfluenceofunsteadyaerodynamicinterferenceonwindturbinesurgemotion[J].RenewableEnergy,2016,90:204-228.2.WenB,TianX,DongX,etal.Onthepowercoefficientovershootofanoffshorefloatingwindturbineinsurgeoscillations[J].WINDENERGY,2018,21(11):1076-1091.3.KyleR,LeeYC,FrühW-G.Propellerandvortexringstateforfloatingoffshorewindturbinesduringsurge[J].RenewableEnergy,2020,155:645-657.4.FuS,LiZ,ZhuW,etal.Studyonaerodynamicperformanceandwakecharacteristicsofafloatingoffshorewindturbineunderpitchmotion[J].RenewableEnergy,2023,205:317-325.5.LiuY,XiaoQ,IncecikA,etal.Aeroelasticanalysisofafloatingoffshorewindturbineinplatform-inducedsurgemotionusingafullycoupledCFD-MBDmethod[J].Windenergy,2019,22(1):1-20.6.Kim,Kwon.EffectofPlatformMotiononAerodynamicPerformanceandAeroelasticBehaviorofFloatingOffshoreWindTurbineBlades[J].Energies,2019,12(13).研究方法與對象研究方法：升力線自由尾跡模型&幾何精確梁模型9/23i+2i+1i+2i+1rBoundvortexrBoundvortexLagrangianmarkersr(Ψ,ζ)ζControlpointzr2r1Inducedvelocityxh將葉片沿展向劃分為若干段，在每一段設置附著渦段來代替ζControlpointzr2r1Inducedvelocityxhi+NTipvortexrΩi+NTipvortexrΩ▲ShedTrailingvortex▲ShedTrailingvortexvortexRootvortex=V0Velast+w,free+ΓllRootvortexCurvedvortexfilamentStraightlinevortexapproximationCurvedvortexfilament升力線自由尾跡模型原理圖升力線自由尾跡模型原理圖風力機動態(tài)尾跡示意圖擺振變形IEA-15MW風力機基本參數(shù)風輪直徑風力機轉速浮式風力機縱蕩運動浮式風力機六自由度運VV縱蕩過程中風力機位移及入流速度隨縱蕩相位角的結果與討論風輪入流速度隨縱蕩相位的變化風輪功率因縱蕩而發(fā)生波動，且相較于剛性葉片，柔性葉片功率有所下降；180°和360°相位處功率的變化變化存在延遲；延遲在90°和270°相位同樣有所體現(xiàn)；葉片柔性會加劇相位延遲現(xiàn)象。（1）剛性葉片-固定工況（2）剛性葉片-縱蕩工況（3）柔性葉片-固定工況（4）柔性葉片-縱蕩工況浮臺的運動進一步加劇了各葉片間載荷的差異的，載荷波動的相位及幅值均出現(xiàn)差異，結果與討論：3.2縱蕩過程中風力機葉片形變特性縱蕩工況下風力機葉片的形變波動幅度進一步縱蕩工況下風力機葉片的形變波動幅度進一步揮舞形變主要縱蕩頻率擺振變形同時受縱蕩和風輪旋轉頻率（重力作扭轉變形除了上述頻率外，還出現(xiàn)了縱蕩和風輪旋轉兩種的頻率的干涉頻率。揮舞形變擺振形變扭轉形變揮舞形變擺振形變扭轉形變結果與討論：3.2縱蕩過程中風力機葉片形變特性的幾何造型，產(chǎn)生彎扭耦合效應影響攻結果與討論：3.3縱蕩過程中的風輪尾跡特性縱蕩工況風力機剛性葉片尾跡輪廓縱蕩工況風力機剛性葉片尾跡波動頻域特性縱蕩工況風力機剛性葉片尾跡輪廓縱蕩工況風力機剛性葉片尾跡波動頻域特性在縱蕩工況下，風輪入流速度的波動會使風輪尾跡發(fā)生明顯的畸變；在考慮葉片形變后，由于風風輪載荷降低，風輪的畸變對于剛性風輪，尾跡的畸變主要由浮臺的運動導致，而對于柔性風輪，葉片的形變也會影響尾跡的發(fā)展?？v蕩工況風力機柔性葉片尾跡輪廓縱蕩工況風非定常工況下風輪的尾跡時刻處于動態(tài)發(fā)展之中，而當前時刻風輪平面處的誘導速度受歷史尾跡的影響，從而產(chǎn)生一定的延遲。非定常工況下所產(chǎn)生的脫落渦以及翼型表面邊界層的分離和再附著在對翼型氣動力產(chǎn)生影響的過程中所導致的滯后，即遲滯環(huán)現(xiàn)象。在一定的滯后，且相位滯后的角度從葉在考慮葉片柔性后，風力機載荷響應的滯后主要來自葉片的形變，且相位滯后不同推力延遲延遲角度下風力機-浮臺系統(tǒng)氣動功變0-結果與討論：3.5縱蕩頻率和幅值影響在高風速點靠近葉根處的截面會進入失速狀態(tài)，而在低風速點葉片大部分截面會進入負風力機會在高風速點進入失速狀態(tài)，在低風結果與討論：3.5縱蕩頻率和幅值影響V在不考慮葉片柔性情況下，折合頻率