海上风电半潜式平台水动力性能分析及优化

论文摘要

为了人类的可持续发展,世界各国在可再生能源领域开展了大量研究。其中,海上风电因其风能储量大、受条件限制少等固有优势得到了诸多国家的重视,而海上风电平台的研发和设计是海上风电场建设的重点。本文首先对海上风电场建设所需的固定式和漂浮式两大类基础进行了系统的介绍,根据未来海上风电的发展方向选择了WindFloat海上半潜式风电平台作为研究对象。将模型试验和数值模拟两种主流的研究方法进行结合,对海上风电平台的水动力性能和运动响应特性进行了系统性的分析。首先,本文采用了模型试验的方案,进行了平台模型在静水中和规则波中的试验。通过平台在静水中进行的自由衰减运动,获取了平台的固有频率等基本参数。在规则波试验中,得出了平台垂荡、纵荡、纵摇运动的幅值响应算子,并分析比较了三根锚链和四根锚链这两种系泊状态下平台的运动响应特性。其次,本文使用商业CFD软件STAR-CCM+建立了数值计算模型。首先对网格和时间步收敛性进行了分析,随后将数值计算结果与试验数据进行对比,结果吻合较好,验证了本数值计算模型的可行性和准确性。使用该数值模型对本论文试验进行数值计算,结果显示静水工况下数值计算结果准确度较高,规则波工况存在一定数值差异,但整体趋势一致。同时重点对试验数据与计算结果差异进行了系统性的分析。然后引入Guanqing Hu等人设计的一体式阻尼板平台,分析了一体式阻尼板平台和WindFloat平台二者在静水、规则波以及非规则波下的水动力性能及运动响应特性差异,验证了新设计的一体式阻尼板平台水动力性能总体上优于WindFloat平台。最后,使用三维势流软件AQWA建立平台运动特性的频域和时域计算模型,并对该模型进行粘性修正。选取试验典型工况进行计算对比,结果吻合良好。随后基于控制变量的原则,分析了波浪入射角度、水深、系泊缆长度以及系泊缆数量对浮式平台运动特性的影响。研究结果发现:随着波浪入射角度的增加,纵荡和纵摇响应减小,横摇响应增大,垂荡响应基本不变。随着锚链长度的增加,垂荡响应平均值和垂荡响应幅度增大,纵荡位移平均值增大。系泊系统的垂荡约束力随着锚链长度的增加而减小,纵荡和纵摇约束力范围随着锚链长度的缩短而增大。水深的增加对垂荡运动和纵荡运动影响较为明显,而对于纵摇运动影响较小。系泊缆数量的增加可以减小平台的垂荡运动响应。三根系泊缆和六根系泊缆由于其系泊系统结构布置的对称性而使平台在不同波向角下表现出类似的运动响应变化趋势。但六根系泊缆状态下平台运动响应有义值最小。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 风电平台分类和应用现状

1.2.1 固定式基础

1.2.2 浮式基础

1.3 海上风电平台国内外研究现状

1.4 本论文研究的主要内容

2 浮式平台的试验设计与研究

2.1 模型试验相似理论及缩尺比的选取

2.1.1 模型试验相似理论

2.1.2 模型缩尺比的选取

2.2 平台及锚泊系统介绍

2.2.1 WindFloat平台设计参数

2.2.2 系泊系统介绍

2.3 试验条件及仪器

2.3.1 试验条件

2.3.2 试验设备及仪器

2.4 试验工况设置

2.4.1 静水试验工况设置

2.4.2 规则波试验工况设置

2.5 试验结果与分析

2.5.1 静水试验结果与分析

2.5.2 规则波试验结果与分析

2.6 本章小结

3 数值计算理论基础及软件介绍

3.1 流体运动控制方程

3.1.1 质量守恒方程

3.1.2 动量守恒方程

3.2 湍流模型

3.2.1 标准k-ε湍流模型

3.2.2 RNGk-ε模型

3.2.3 Realizablek-ε模型

3.3 数值离散方法

3.3.1 有限差分法

3.3.2 有限元法

3.3.3 有限体积法

3.4 本文所用软件介绍

3.5 本章小结

4 数值模型计算与分析

4.1 数值模型的构建

4.1.1 计算域的设定

4.1.2 网格划分

4.1.3 物理模型设置

4.1.4 边界条件和求解设置

4.2 网格和时间步影响分析

4.2.1 网格影响分析

4.2.2 时间步影响分析

4.3 WindFloat平台计算结果与分析

4.3.1 静水试验计算结果对比分析

4.3.2 规则波试验计算结果对比分析

4.4 本章小结

5 新型一体式阻尼板平台运动响应对比分析

5.1 新型一体式阻尼板平台介绍

5.2 不同构型平台静水运动响应分析

5.2.1 数值计算结果分析

5.2.2 垂荡运动涡量场分析

5.3 不同构型平台规则波下运动响应分析

5.4 不同构型平台在风浪条件下运动响应分析

5.4.1 计算域与工况参数设定

5.4.2 不同构型平台在风浪条件下时域运动响应计算结果

5.4.3 不同构型平台在风浪条件下运动响应数据分析

5.5 本章小结

6 风浪条件及系泊系统对平台运动的影响分析

6.1 粘性修正理论介绍

6.1.1 粘性修正理论介绍

6.1.2 粘性修正后计算结果对比与分析

6.2 波向角对平台运动的影响分析

6.2.1 波浪入射角度和系泊系统参数设置

6.2.2 不同波向角计算结果与分析

6.3 水深对平台运动的影响分析

6.3.1 水深参数设置与平台运动响应计算结果

6.3.2 不同水深下平台运动响应数据分析

6.4 系泊缆长度对平台运动的影响

6.4.1 系泊缆长度设置与平台运动响应计算结果

6.4.2 不同系泊缆长度下平台运动响应数据分析

6.5 系泊缆数量对平台运动的影响

6.5.1 系泊缆数量设置

6.5.2 不同系泊缆数量下平台运动响应数据分析

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 曲世达

导师: 邹丽

关键词: 浮式风电平台,水动力性能,数值模拟,垂荡板,系泊系统

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,船舶工业,电力工业

单位: 大连理工大学

分类号: TM614;P752;U674.37

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002576

总页数: 104

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