模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用-2011-6页
219467643_海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究
海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究①曲晓奇,李红涛,唐广银,杜海越,杨林林(中国船级社海洋工程技术中心,天津 300457)摘要 随着海上浮式风电技术的发展,我国大功率漂浮式海上风力机组开始走向工程示范应用㊂由于风机厂商对上部风机结构参数保密,针对实际工程项目中的漂浮式风力机进行数值仿真分析具有诸多挑战和难度㊂本文以实际工程项目为例,研究漂浮式海上风力机在数值仿真过程中的关键技术㊂通过建立等效推力模型等手段,实现工程样机的数值建模并进行典型工况的动力响应分析㊂本文的研究成果可以有效解决实际工程项目中浮式风力机数值模型建立的难点,对促进我国风电产业技术发展,加速我国海上风电商业化进程具有重要意义㊂关键词 海上浮式风力机;数值仿真;等效推力模型;动力响应㊂中图分类号:P 752;T M 614 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)007207d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.12R e s e a r c h o n K e y T e c h n o l o g i e s o f D y n a m i c A n a l y s i s a n d N u m e r i c a l S i m u l a t i o n f o r t h e F l o a t i n g Of f s h o r e W i n d T u r b i n e Q U X i a o q i ,L I H o ng t a o ,T A N G G u a n g y i n ,D U H a i yu e ,Y A N G L i n l i n (O c e a n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t W i t h t h e d e v e l o p m e n t o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e t e c h n o l o g y ,t h e e n g i n e e r i n g p r o j e c t s o f l a r ge -s c a l ef l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e h a s s t a r t e d .B e c a u s e t h e m a n u f a c t u r e r s k e e p th e p a r a m e t e r s o f t h e w i n d t u r b i n e c o n f i d e n t i a l ,t h e r e a r e m a n y c h a l l e n g e s i n t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i s o f f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s i n p r a c t i c a l e ng i n e e r i n g p r o j e c t s .I n thi s p a p e r ,t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f n u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n t h e p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t w a s i n v e s t i g a t e d .T h r o u g h t h e e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ,a n u m e r i c a l m o d e l o f r e a l f l o a t i n g w i n d t u r b i n e w a s e s t a b l i s h e d a n d t h e d y n a m i c s r e s p o n s e s u n d e r a t y p i c a l l o a d c a s e w a s a n a l yz e d .B a s e d o n t h e r e s e a r c h r e s u l t s o f t h i s s t u d y ,t h e d i f f i c u l t i e s i n e s t a b l i s h i n g t h e n u m e r i c a l m o d e l o f f l o a t i n g wi n d t u r b i n e i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g p r o j e c t s c a n b e w e l l s o l v e d .I t i s o f g r e a t s i g n i f i c a n c e i n p r o m o t i n g t h e t e c h n i c a l d e v e l o pm e n t a n d a c c e l e r a t i n g t h e c o m m e r c i a l i s a t i o n o f C h i n a s f l o a t i n g w i n d t u r b i n e i n d u s t r y.K e y wo r d s f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;e q u i v a l e n t t h r u s t m o d e l ;d y n a m i c r e s p o n s e 0 引 言欧洲的海上风电产业起步较早,随着浮式风力机技术趋于成熟,现已逐步在全世界范围内得到广泛研究和应用㊂我国浮式风力机的研究约起步于十年之前,相对较晚,尚未得到商业化应用㊂目前,常用的海上浮式风力机数值仿真软件大多由欧美国家的研究机构开发㊂表1列举了海上浮式风电领域常用的数值仿真软件及其所采用的分析理论㊂①作者简介:曲晓奇(1992 ),女,博士研究生,工程师,主要从事海上浮式风力机动力响应分析方面的研究㊂E -m a i l :x q qu @c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃73 ㊃表1 各研究机构开发的海上浮式风力机耦合计算程序T a b .1 P r o g r a m s f o r f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e c o u p l e d c a l c u l a t i o n d e v e l o p e d b y va r i o u s r e s e a r c h i n s t i t u t i o n s 程序研究机构气动力模块水动力模块结构动力学模块系泊模块F A S T[1]N R E L(B E M 或G D W )+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S/F E M G S M 或Q S M或F E M G H .B L A D E D [2]G HB E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM o d a l /M B S G S M 或Q S M 或F E M A D A M S [3]M S C +N R E L +L U HB E M /G D W+D S T D M E 或T D P F +M DM B S Q S /U DS I M A [4]M A R I N T E K B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M DM B S /F E MG S M 或Q S M或F E MH A W C 2[5]R I S O D T U B E M+D S +D I T D M E 或T D P F +M D M B S /F E M G S M 或Q S M或F E MO r c a F l e x[6]O r c i n aC o u pl e d t o F A S T T D M E 或T D P F +M D C o u pl e d t o F A S T G S M 或Q S M 或F E MB E M :B l a d e E l e m e n t M o m e n t u m ,叶素动量理论D I :D yn a m i c I n f l o w ,动态入流C F D :C o m p u t a t i o n a l F l u i d D yn a m i c s ,计算流体动力学M B S :M u l t i b o d y S ys t e m ,多体系统G S M :G l o b a l S t i f f n e s s M o d e l,总体刚度模型T D :T i m e D o m a i n ,时域U D :U s e r D e f i n e d,用户自定义G D W :G e n e r a l i z e d D yn a m i c W a k e ,广义动态尾涡D S :D yn a m i c S t a l l ,动态失速F V M :F r e e V o r t e x M o d e l,自由尾涡模型F E M :F i n i t e E l e m e n t M e t h o d ,有限元方法Q S M :Q u a s i -s t a t i c M o d e l,准静态模型M E :M o r i s o n,方程M D :M o r i s o n D r a g,莫里森拖曳项P F :P o t e n t i a l F l o w ,势流理论 尽管目前针对浮式风力机数值仿真软件的开发已经相对成熟,但是,由于我国海上浮式风电工程项目还处于起步阶段,实际工程样机数量较少,对于实际风力机的数值仿真仍存在一定的问题㊂如何在实际工程项目中,建立浮式风力机的数值模型,使其可以准确反映工程样机的真实动力响应特性,仍然需要深入的研究㊂本文首先介绍了浮式风力机数值仿真的基本理论和方法;然后,结合某实际工程项目,详细描述了浮式风力机数值模型的建立过程以及涉及的关键技术;最后,基于本文建立的浮式风力机数值模型进行动力响应分析,验证本文建模方法的可靠性㊂1 浮式风力机数值模型建立方法目前,对于风力机气动载荷的计算大多采用叶素动量理论[7],尽管该方法无法给出叶片翼型附近的流场信息,但是,其计算简便效率高,广泛应用于浮式风力机工程计算㊂水动力载荷的分析则主要基于三维势流理论,采用海洋工程领域常用的水动力分析软件求解浮体水动力系数,进而进行时域水动力分析㊂由于三维势流理论无法考虑浮体的黏性效应,软件采用M o r i s o n 方程的拖曳项模拟浮式风力机的黏性阻尼㊂浮式风力机系统结构形式复杂,既包括了叶片㊁塔柱和传动轴等柔性构件,又包括了机舱和浮式基础等刚性结构㊂因此,不同数值仿真软件对于浮式风力机系统结构动力学模型的建立区别较大㊂目前,对于浮式风力机整体结构采用的建模方法主要有多体方法和有限元方法,对于叶片和塔柱等弹性体动力响应的求解则主要采用模态法和有限元方法㊂浮式风力机系泊系统的模拟则以准静态悬链线方法和有限元方法为主㊂其中,准静态方法基于悬链线方程求解系泊锚链张力,无法考虑锚链的动态效应㊂而有限元方法则可以考虑锚链自身动态效应的影响,精度相对更高㊂2 海上浮式风力机数值仿真模型的建立2.1 浮式风力机简介本文以某浮式风力机工程项目为例,针对海上浮式风力机工程样机在数值仿真过程中的关键技术进行研究㊂浮式风力机系统的结构形式如图1所示,整个系统上部设置7.25MW 风力发电机,底部采用四立柱半潜型浮式基础㊂系泊系统的布置情况如图2所示,在每个边立柱的底部设置3根系泊锚链,采用3ˑ3的悬链线式系泊㊂㊃74㊃海洋工程装备与技术第10卷图1 浮式风力机结构示意图F i g .1 F l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e s t r u c t u re 图2 浮式风力机系泊系统布置图F i g .2 F l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e m o o r i n g s ys t e m a r r a n ge m e n t 2.2 风力机结构模型的建立本文采用美国可再生能源实验室开发的O pe n F A S T 软件,对浮式风力机系统进行数值仿真㊂该软件基于K a n e 方程建立风力机系统刚柔耦合动力学模型㊂对于叶片和塔柱等弹性结构,通过模态法求解其结构变形和动态响应㊂对于塔柱,基于模态叠加方法㊂任意时刻t ,塔柱上到塔底距离为x 的某一点的横向位移u (x ,t )可以表示为[8]u (x ,t )=ðna =1ϕa (x )q a (t )(1)其中,ϕa (x )代表模态a 的固有振型函数,它仅是x 的函数,与时间无关;q a (t )代表模态a 的广义坐标,与时间t 有关;n 代表选取的模态个数,即自由度数;每一个固有振型对应一个固有频率ωa 和相位ψa ㊂当已知塔柱的各阶固有振型函数时,还需要n 个参数来定义塔柱的变形情况㊂除了塔柱的固有振型函数外,还可以选择n 个其他函数φb 来表示塔柱的变形:u (x ,t )=ðn +p -1b =pφb (x )c b (t )(2)其中,φb (x )代表形函数;c b (t )是与之对应的广义坐标;参数p 按计算方便选取㊂根据R a y l e i gh -R i t z 法,塔柱的各阶固有振型函数ϕa (x )也可以表示成形函数φb (x )的线性组合:ϕa (x )=ðn +p -1b =pC a ,b φb (x )(3)其中,C a ,b 代表b 阶形函数对a 阶固有振型的比例常数㊂对于风力机塔柱,可以选择指数函数作为形函数,于是b 阶形函数表示为φb (x )=xRb(4)其中,R 表示塔柱的高度㊂由于风力机塔柱在底部固支,即塔柱底部位移和转角均为零,因此参数p 必须大于等于2,本文计算中取p =2㊂根据塔柱的相关设计参数,利用B M o d e s 软件基于广义H a m i l t o n 原理,求解塔柱前后和侧向前两阶模态,再拟合成幂指函数,输入O p e n F A S T 中㊂2.3 等效推力模型的建立由于缺少风力机叶片翼型参数的详细设计资料,以及控制系统的相关设计参数,因此,无法准确模拟风力机系统的气动性能㊂本文建立风力机的等效推力模型来计算风轮的气动载荷㊂图3所示为叶片上某一叶素位置处的速度和气动载荷示意图㊂根据叶素动量理论,叶片上某一叶素d r 处的推力和转矩可以表示为d T =B 12ρV 2t o t a l (C l c o s ϕ+C d s i n ϕ)c d r (5)d Q =B 12ρV 2t o t a l (C l s i n ϕ-C d c o s ϕ)c r d r (6)其中,d T 和d Q 分别表示叶素的推力和转矩;B 表示叶片数量;ρ表示空气密度;V t o t a l 表示入流速度;C l 和C d 分别表示升力系数和阻力系数;ϕ表示入流速度与叶素旋转平面的夹角;c 表示叶素的弦长㊂第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃75 ㊃(a)叶素速度图(a )L e a f v e g e t a t i o n v e l o c i t y ch a rt (b)叶素气动载荷图(b )L e a f e l e m e n t pn e u m a t i c l o a d c h a r t 图3 叶素翼型示意图[9]F i g.3 B l a d e e l e m e n t a i r f o i l [9]根据公式(5)和(6)叶片上某一叶素位置处的风轮推力主要与升力系数C l ㊁阻力系数C d ㊁来流与弦线的夹角ϕ以及叶片的弦长c 有关㊂以N R E L5MW 风力机叶片气动参数为基础,通过调整叶片的弦长和扭转角以及控制系统的相关参数改变风轮推力,直至与风机厂商提供的风轮推力相一致㊂采用上述方法建立风力机的等效推力模型,图4所图4 不同风速下风轮推力对比结果F i g .4 C o m pa r i s o n o f r o t o r t h r u s t f o r c e u n d e r d i f f e r e n t w i n d s pe e d 示是采用等效推力模型计算的不同风速下风轮推力与风机厂商提供的数据对比结果㊂相较于直接将风轮推力施加到塔柱顶部,采用这种方式的优点是可以考虑叶片旋转效应的影响㊂2.4 水动力模型的建立在A QW A 中建立浮式基础的水动力模型如图5所示㊂基于三维势流理论计算浮式基础的水动力系数,包括静水恢复力系数㊁附加质量和阻尼系数以及一阶和二阶波浪载荷传递函数,其中0ʎ入射方向下一阶波浪载荷传递函数的计算结果如图6所示㊂图5 浮式基础水动力模型F i g .5 H y d r o d y n a m i c m o d e l o f f l o a t i n g pl a t f o rm (a)纵荡方向一阶波浪载荷传递函数(a )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n gi t u d i n a l d i r e c t i o n (b)垂荡方向一阶波浪载荷传递函数(b )F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e p e n d u l u m d i r e c t i o n㊃76㊃海洋工程装备与技术第10卷(c)纵摇方向一阶波浪载荷传递函数(c)F i r s t o r d e r w a v e l o a d t r a n s f e r f u n c t i o ni n t h e l o n g i t u d i n a l r o c k i n g d i r e c t i o n图6波浪入射方向为0ʎ时的一阶波浪载荷传递函数F i g.6F i r s-o r d e r w a v e f o r c e t r a n s f e r f u n c t i o n i n t h e d i r e c t i o no f0d e g r e e按照公式(7)~(9)计算浮式基础受到的波浪载荷㊂由于势流理论无法考虑浮式基础的阻尼效应,因此在O p e n F A S T软件中建立M o r i s o n模型,通过M o r i s o n方程中的拖曳力模拟浮式基础的阻尼效应㊂F w a v e_1(t)=R eðM i=1ηi H1(ωi)=R eðM i=1a i e x p i(ωi t+φi)H1(ωi)(7) F w a v e_2s(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiηj H2s(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi+ωj)t+φi+φj)]H2s(ωi,ωj)(8)F w a v e_2d(t)=R eðM i=1ðM j=1ηiη*j H2d(ωi,ωj)=R eðM i=1ðM j=1a i a j e x p[i((ωi-ωj)t+φi-φj)]H2d(ωi,ωj)(9)其中,F w a v e_1(t)表示一阶波频载荷;F w a v e_2s(t)和F w a v e_2d(t)分别表示二阶和频㊁差频波浪载荷;ηi表示波面升高;a i㊁ωi和φi分别表示波幅㊁频率和相位;H1(ωi)表示一阶波浪载荷传递函数;H2s(ωi,ωj)和H2d(ωi,ωj)分别表示二阶和频与差频波浪载荷传递函数㊂2.5系泊系统分析模型的建立系泊系统的模拟采用集中质量模型,将锚链离散成多个质量点,不同质量点之间通过弹簧阻尼结构连接,如图7所示㊂某一质量点i的运动控制方程如下[10]:图7系泊锚链数值模型[10]F i g.7 N u m e r i c a l m o d e l o f m o o r i n g l i n e s[10] (m i+a i)r㊃㊃=T i+(1/2)-T i-(1/2)+C i+(1/2)-C i-(1/2)+W i+B i+D p i+D q i(10)其中,(m i+a i)r㊃㊃代表惯性项,m i和a i分别表示节点i的质量和附加质量;(T+C)i+(1/2)和(T+ C)i-(1/2)分别表示r i与r i+1以及r i与r i-1之间的内部刚度和阻尼;W i表示重力;B i表示浮力;D p i和D q i分别表示节点i受到的轴向和切向波浪力,采用M o r i s o n方程计算:D p i=12ρw C d n d l(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(r㊃i㊃q^i)q^i-r㊃(11)D q i=12ρw C d tπd l(-r㊃i㊃q^i)q^i-(r㊃i㊃q^i)q^i(12)第2期曲晓奇,等:海上浮式风力机动力响应分析与数值仿真关键技术研究㊃77 ㊃在数值模拟过程中,由于系泊锚链结构形式复杂连接构件过多,对于连接构件无法直接进行模拟㊂将连接构件转化成等质量的杆单元,设置较小的时间步长,进行数值仿真,以保证计算的收敛性㊂图8所示是在不同浮体位移下计算的系泊张力,即浮式风力机系泊系统刚度曲线㊂图8 系泊系统刚度曲线F i g .8 M o o r i n g s ys t e m t e n s i o n 3 动力响应分析采用本文第2节介绍的相关理论和方法,建立海上浮式风力机数值仿真模型,计算极端停机工况下浮式风力机的运动响应㊂环境载荷方向的定义如图9所示㊂环境参数具体数值为:50年一遇风速60m /s ;有义波高12m ,谱峰周期14.4s,谱峰因子2.2;表面流速2.18m /s ㊂风浪方向均为0ʎ,表面流向为-180ʎ,模拟时间为3600s ㊂计算结果如图10所示㊂图9 环境载荷方向定义坐标系F i g .9 C o o r d i n a t e s ys t e m o f e n v i r o n m e n t a l l o a d s d i r e c t i o n d e f i n i t i on(a)纵荡(b)横荡(c)垂荡(d)横摇㊃78㊃海洋工程装备与技术第10卷(e)纵摇(f)艏摇图10 极端停机工况下浮式风力机运动响应F i g .10 D y n a m i c r e s p o n s e s o f t h e f l o a t i n g of f s h o r e w i n d t u r b i n e u n d e r e x t r e m e p a r k e d l o a d c o n d i t i o n从图10中可以看出,在50年一遇极端停机工况下,浮式基础具有较大的动态响应,这是由波浪载荷引起的㊂此时风机处于停机状态,叶片变桨,风轮受到的气动载荷相对较小,垂荡和纵摇的均值都处于一个较小的值㊂从计算结果来看,在极端停机工况下,浮式风力机的摇摆角度在10ʎ范围内,符合设计要求,具有足够的安全性4 结 论本文主要介绍了在实际工程项目中建立海上浮式风力机数值仿真模型的关键技术,包括结构模型㊁等效推力模型㊁水动力模型以及系泊系统模型的相关理论和方法㊂本文提出的数值模型建立方法,可以有效解决风力机叶片翼型参数缺失带来的建模问题㊂最后,通过模拟50年一遇极端工况下浮式风力机的动态响应,验证本文建模方法的可靠性㊂参考文献[1]J o n k m a n J M ,B u h l J R M L .F A S T U s e r s G u i d e [R ].G o l d e n ,C O :N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y,2005.[2]D N V G L .B l a d e d [E B /O L ].h t t p s ://w w w .d n v g l .c o m /s e r v i c e s /b l a d e d -3775.[3]E l l i o t A .S .,W r i gh t A .D .A D A M S /W T U s e r s G u i d e [E B /O L ].h t t p ://w i n d .n r e l .g o v /d e s i gn c o d e s /s i m u l a t o r s /a d a m s w t /d o c s _v 2.0/i n d e x .h t m l .L a s t m o d i f i e d D e c e m b e r,1998;a c c e s s e d J u n e 13,2003.[4]F y l l i n gI ,L a r s e n C ,S ød a h l N ,e t a l .R i f l e x U s e r s M a n u a l 3.6[R ].M A R I N T E K ,T r o n d h e i m ,N o r w a y,2008.[5]L a r s e n T J ,H a n s e n A M.H o w 2H A W C 2,t h e U s e r sM a n u a l [R ].R i s øN a t i o n a l L a b o r a t o r y,2007.[6]O R C I N A .O r c a F l e x [E B /O L ].h t t p://w w w .o r c i n a .c o m /.[7]H a n s e n s M O .A e r o d y n a m i c s o f W i n d T u r b i n e s [M ].E n g l a n d :R o u t l e d g e ,2015.[8]J o n k m a n J M.M o d e l i n g of t h e U A E W i n d T u r b i n e f o r R e f i n e m e n t o f F A S T _A D [R ].C o l o r a d o :N a t i o n a l R e n e w a b l eE n e r g y L a b o r a t o r y,2003.[9]M o r i a r t y P J ,H a n s e n A C .A e r o D y n T h e o r y M a n u a l [R ].C o l o r a d o :N a t i o n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b ,2005.[10]M a t t h e w H.,A n d r e w G .V a l i d a t i o n o f a L u m pe d -M a s s M o o r i n g L i n e M o d e l w i t h D e e pC w i n d S e m i s u b m e r s i b l e M o d e l T e s tD a t a [J ].O c e a nE n g i n e e r i n g,2015,104:590603.。
海上多浮体作业系统运动响应数值模拟及模型试验
海上多浮体作业系统运动响应数值模拟及模型试验韩旭亮;谢彬;王世圣;喻西崇;李焱【摘要】为了保证海上多浮体作业系统的安全性和可靠性,基于三维势流理论,采用延迟函数方法,建立了波浪中多浮体作业系统耦合运动的数学模型。
该方法充分考虑了多浮体兴波水动力相互作用的影响,综合考查了多浮体在不同浪向角波浪中的运动响应。
计算分析了运输船靠近单柱式（Spar）平台安装作业在不同浪向中的运动响应情况,并与模型试验进行比较。
研究结果表明,不同浪向中运输船运动响应的数值模拟结果和模型试验结果具有良好的一致性,证明了数学模型的合理性。
多浮体系统靠近作业会产生局部波浪放大或遮蔽效应。
【期刊名称】《海洋工程装备与技术》【年(卷),期】2017(004)005【总页数】6页(P287-292)【关键词】势流理论多浮体延迟函数运动响应模型试验【作者】韩旭亮;谢彬;王世圣;喻西崇;李焱【作者单位】中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028;中海油研究总院,北京100028【正文语种】中文【中图分类】U661.32多浮体靠近作业是海上操作的常用模式，在船舶靠帮物资补给、潜水器从母船下放与回收、浮式液化天然气装置(FLNG)旁靠与尾靠输油系统和海洋平台安装就位等船舶与海洋工程领域发挥着重要作用。
单个浮体在外界波浪激励的作用下会产生六自由度运动，而浮体运动兴起波浪会导致多浮体系统之间存在水动力相互作用。
这往往会使多浮体系统产生剧烈运动，并造成恶劣的不利影响，甚至导致多浮体之间发生碰撞，严重威胁其安全性。
由此可见，多浮体作业系统运动响应是海洋工程技术开发的关键问题。
国内外学者致力于从频域理论角度运用三维分布源方法[1]、高阶边界元方法[2—3]、模态方法[4]等研究多浮体水动力相互干扰作用下的稳态响应问题。
同时现在常用的WAMIT[5]， HydroSTAR[6]等水动力软件基于三维势流频域理论来计算多浮体运动响应，但要处理瞬态或者非线性水动力问题就显得无能为力。
漂浮式海上风电机组动力学仿真分析-2012-6页
(1) 其方差为：
∫ σ 2 =
∞ −∞
Sζ
1−sided
(ω
)dω
(2)
其中：H 为波高；ω 为频率；λ 为波长；Tp 为波周期； l 为结构特征尺度；γ 为谱峰升高因子；d 为水深。
由此可得波高程为：
∫ ζ (t) = 1
2π
+∞W (ω)
−∞
2πSζ2−Sided (ω)e jωt dω
(3)
为：
F Hydrostatic = −ρ gV0δ13 + CiHj ydrostaticq j
(6)
其中：−ρgV0δ13 为阿基米德浮力，即该力是垂直向上， 其值与平台的重力相等；V0 为当支撑平台不动时排开
第4期
王磊，等：漂浮式海上风电机组动力学仿真分析
1311
的流体体积；CiHj ydrostaticq j 为受水平面和漂浮中心影响 的水静力和力矩部分；j 为水平面内、与 i 为方向垂直 方向的自由度；qj 为 j 方向的坐标。
将式(5)，式(6)与式(8)相加，由此可得浮式平台的 水动力 FiHydro 为：
FiHydro = FiWaves + F Hydrostatic + F rad
3. Department of Ship Engineering, HarBin Engineering University, Harbin 150001, China)
Abstract: Dynamics of deep-sea floating wind turbine was analyzed by the computer simulation technology. Firstly the wave dynamics model of floating platform and aerodynamics model of wind turbine based on the generalized dynamic wake (GDW) theory were established. Secondly, the force was loaded on the multi-flexible body dynamics model of wind turbine including “wind rotor -nacelle- tower- mooring system” which was established in FORTRAN. And then the whole model and results were turned into ADAMS model. Taking a 5 MW wind turbine for example, floating wind turbine system was analyzed by multi-field coupling dynamic model. The results show that during operation of the floating wind turbine, its floating platform must withstand great hydrodynamic force, and the dynamic response of the whole structure and fluctuation of power are greatly impacted by the coupling of aerodynamic and hydrodynamic loads. Key words: floating platform; GDW theory; multi-flexible body dynamics; wind turbine; mooring system
海上风力机系统流体动力性能数值模拟与试验研究
海上风力机系统流体动力性能数值模拟与试验研究一、本文概述随着全球对可再生能源的需求日益增长，海上风力发电作为一种清洁、高效的能源利用方式，正逐渐成为新能源领域的研究热点。
作为海上风力发电的核心设备，海上风力机的流体动力性能直接决定了其发电效率和运行稳定性。
对海上风力机系统流体动力性能的深入研究和优化具有重要意义。
本文旨在通过数值模拟与试验研究相结合的方法，全面分析海上风力机系统的流体动力性能，以期为海上风力发电技术的发展提供理论支撑和实践指导。
本文首先介绍了海上风力机系统流体动力性能研究的背景和意义，阐述了国内外在该领域的研究现状和发展趋势。
在此基础上，本文提出了结合数值模拟和试验研究的综合分析方法，详细阐述了数值模拟的理论基础、模型建立与验证过程，以及试验研究的方案设计、实验装置与数据处理方法。
通过对比分析数值模拟和试验研究结果，本文深入探讨了海上风力机系统在不同工况下的流体动力性能表现，揭示了其流动特性、能量转换效率和稳定性等方面的关键影响因素。
本文的研究成果不仅有助于深入理解海上风力机系统的流体动力性能，也为海上风力发电机的设计优化、运行控制以及维护管理提供了重要依据。
同时，本文的研究方法和结论可为相关领域的研究人员提供有益的参考和借鉴，推动海上风力发电技术的持续创新和发展。
二、海上风力机系统概述海上风力机系统是一种利用海洋环境中丰富的风能资源，通过风力涡轮机转换为电能的可再生能源装置。
该系统通常由风力发电机、塔架、基础结构以及电力传输设备等关键组成部分构成。
风力发电机位于系统的顶部，包含叶片、轮毂和发电机，叶片设计尤为关键，它直接决定了捕获风能的效率塔架则负责支撑风力发电机并保持其在海上的稳定性，高度设计需要考虑海洋环境中的风速分布特性而基础结构则是整个系统的重要基石，针对不同的海底地质条件（如沙质、淤泥或岩石），采用不同类型的固定式或浮式基础，确保风力机能够在复杂的海洋环境中安全可靠地运行。
219467644_海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践
海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践①李红涛,杨林林,曲晓奇,孙 涛(中国船级社海洋工程技术中心,天津 300457)摘要 海上浮式风电装备已经逐步成为深远海新能源开发的热点㊂但浮式风电商业化开发仍面临一系列技术难点和挑战㊂本文系统梳理了海上浮式风电装备设计分析关键技术,从总体性能分析㊁结构整体强度㊁系泊系统设计㊁疲劳强度分析㊁稳性校核㊁动态电缆设计6个方面,提出了解决思路和分析方法;结合国内浮式风电平台的实际工程案例,给出有益结论和建议㊂对我国浮式风电装备开发进行了很好的工程探索和实践,以期为我国漂浮式风电技术的发展壮大提供有益参考㊂关键词 海上浮式风电装备;总体性能;结构整体强度;系泊系统;疲劳强度;动态电缆中图分类号:P 75 文献标志码:A 文章编号:20957297(2023)007910d o i :10.12087/oe e t .2095-7297.2023.02.13E n g i n e e r i n g E x p l o r a t i o n a n d P r a c t i c e o f K e y T e c h n o l o g yf o r F l o a t i ng O f f sh o r e Wi n d T u r b i n e E q u i pm e n t L I H o n g t a o ,Y A N G L i n l i n ,Q U X i a o qi ,S U N T a o (O c e a n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y C e n t e r ,C h i n a C l a s s i f i c a t i o n S o c i e t y ,T i a n ji n 300457,C h i n a )A b s t r a c t F l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t h a s g r a d u a l l y b e c o m e a h o t t o p i c i n t h e d e v e l o p m e n t o f d e e p-s e a r e n e w a b l e e n e r g y .H o w e v e r ,t h e r e a r e s t i l l a s e r i e s o f t e c h n i c a l d i f f i c u l t i e s a n d c h a l l e n ge s i n t h e c o m m e r c i a l i z a t i o n of f l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e .T h i s s t u d y s y s t e m a t i c a l l y c o m b s t h e k e y t e c h n o l o g i e s f o r d e s i g n a n d a n a l ys i s o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t .T h e s o l u t i o n s a n d a n a l y s i s m e t h o d s a r e p u t f o r w a r d r e g a r d i n g s i x a s pe c t s i n c l u d i n g o v e r a l l p e rf o r m a n c e a n a l y s i s ,s t r u c t u r a lg l o b a l s t r e n g th ,m o o ri n g s y s t e m d e s i g n ,f a t i g u e s t r e n gt h a n a l y s i s ,s t a b i l i t y c h e c k a n d d y n a m i c c a b l e d e s i g n .A s e t o f u s e f u l c o n c l u s i o n s a n d s u g g e s t i o n s a r e g i v e n t h r o u gh t h e i n t r o d u c t i o n o f a c t u a l d o m e s t i c f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e n g i n e e r i n g p r o j e c t .E n g i n e e r i n g e x pl o r a t i o n a n d p r a c t i c e a r e c a r r i e d o u t o n t h e d e v e l o p m e n t o f f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t i n C h i n a ,a n d i t i s e x pe c t e d t o p r o v i d e u s ef u l r e f e r e n c e f o r t h e d e v e l o p m e n t a n d e x p a n s i o n o f C h i n a s f l o a t i ng o f f sh o r e wi n d t u r b i n e t e c h n o l o g y.K e y w o r d s f l o a t i n g o f f s h o r e w i n d t u r b i n e e q u i p m e n t ;o v e r a l l p e r f o r m a n c e ;s t r u c t u r a l g l o b a l s t r e n g t h ;m o o r i n g s y s t e m ;f a t i g u e s t r e n g t h ;d yn a m i c c a b l e 0 引 言作为一种可再生清洁能源,海上风力发电受到世界各沿海国家重视㊂近些年来,随着海上风电技术的进步,海上风电场建设开发进入快车道㊂截至2021年,欧洲海上风电累计装机容量超过28G W ,满足了欧盟和英国2.8%的电力需求[1]㊂尽管我国海上风电起步较晚,但发展迅猛,2021年国内海上装机总容量达到26.4G W ,已经跃居世界第一位㊂由于近海空间资源有限,海上风电的发展也必然像过去海洋油气产业一样,不断从浅海走向深远海㊂因此,漂浮式风电技术正成为研究热点,并逐步在海上进行示范应用[2]㊂浮式风电设施浮体型式源于传统海上油气浮①作者简介:李红涛(1976 ),男,博士研究生,正高级工程师,主要从事海上风电工程计算分析方面的研究㊂E -m a i l :h t l i @c c s .o r g.c n ㊂第10卷 第2期2023年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E Q U I P M E N T A N D T E C H N O L O G YV o l .10,N o .2J u n .,2023㊃80㊃海洋工程装备与技术第10卷式结构物类型,可分为单立柱式㊁半潜式㊁张力腿式和驳船式4种类型,如图1所示㊂半潜式浮式基础成熟度高,水线面较大,稳性较好,安装部署简单,适用水深范围广,已经在国内外多个项目上进行了示范应用;立柱式浮式基础成熟度较高,重心低,垂向运动性能较高,适用水深一般大于100m ,但对安装技术要求较高,在欧洲H y w i n d 风电场上进行了实际应用;张力腿式浮式基础成熟度不高,具有较好垂向运动性能,适用水深大于60m ,安装过程复杂,张力腱造价较高,目前国内外应用很少;驳船式成熟度较高,结构简单,安装容易,成本较低,适用水深范围较广,但运动性能差一些,受上部风机运动性能参数影响较大,目前在国外有过相关示范应用[3㊁4]㊂随着浮式风机技术的快速发展,其他创新型浮式结构形式也在不断涌现,如阻尼池式浮式基础㊁双头机浮式基础等,如图2和图3所示㊂图1 浮式风机基础类型F i g .1 P l a t f o r m t y p e o f F l o a t i n g wi n d t u r b i ne 图2 法国 D a m p i n g Po o l 浮式风机F i g .2 F r a n c e D a m p i n g P o o l F l o a t i n g w i n d t u r b i n e图3 瑞典H e x i c o n 公司 T w i n W i n d浮式风机F i g.3 S w e d e n H e x i c o n T w i n W i n d f l o a t i n gw i n d t u r b i n e欧洲海上浮式风电技术发展较早,从2009年开始多个项目已经进行了相关示范应用,主要集中在欧洲地区,以苏格兰㊁葡萄牙和地中海区域为主㊂典型项目如挪威的H yw i n d 立柱式浮式风电设施㊁葡萄牙W i n d F l o a t 半潜式浮式风电样机㊁法国的F l o a t ge n 阻尼池船式浮式风电样机㊁日本的福岛半潜式浮式风电样机等[2㊁3]㊂随着示范项目的不断成熟完善,欧洲海上浮式风电逐步进入商业化开发阶段,如挪威国家石油公司投资的H y w i n d T a m pe n 项目为全球首个商业化运作的浮式海上风电项目㊂2021年,中国首台漂浮式海上风电试验样机 三峡引领号 建成并网发电,2022年重庆海装 扶摇号 ㊁中海油首个 双百 深远海浮式风机样机㊁龙源电力福建南日岛浮式风电养殖融合项目相继开工建造和安装,国内首个商业化运作的海南万宁100W K W 海上浮式风电场已经启动开发,预计近几年国内还有多个浮式风电项目陆续上马㊂2021年,全球风能协会(G W E C )预测,2030年全球漂浮式海风累计装机预期达16.5G W ;从2026年开始,漂浮式海上风电进入新增装机达到G W 级的商业化阶段,欧洲㊁中日韩和美国将主导全球漂浮式海上风电市场㊂关于漂浮式风电技术研究和工程化应用,我国近些年做了很多技术攻关和产业布局工作㊂早在2016年,国家发改委等部委联合印发‘中国制造2025能源装备实施方案“,提出 重点发展海上漂浮式风力发电机组及各种基础结构 ;2021年国家能源局印发了‘ 十四五 能源领域科技创新规划“,提出加快 研发远海深水区域漂浮式风电机组基础一体化设计㊁建造与施工技术 ;工信部㊁科技部等国家部委㊁沿海地方政府也投入专项资金支持海上浮式风电装备研制㊂本文系统分析了海上浮式风电装备设计关键技术,从总体性能分析㊁结构整体强度㊁系泊系统设计㊁疲劳强度分析㊁稳性校核㊁动态电缆设计6个方面提出解决思路和分析方法;结合国内在建浮式风电平台的实际工程案例经验,给出有益结论和相关对策建议;以期梳理浮式风电装备关键技术现状,为我国漂浮式风电技术的发展壮大提供有益参考㊂1 关键技术研究1.1 总体性能海上浮式风电装备总体性能分析主要计算平台在外部载荷作用下的各种响应,主要包括运动性能㊁气隙预报㊁系泊系统张力响应等㊂通过总体性能分析结果为后续平台结构强度㊁系泊强度㊁疲劳强度以及动态电缆设计等提供载荷输入㊂总体性能分析宜采用一体化耦合分析方法,在相关软件中建立风机模型㊁气动载荷模型㊁浮体水动力模型㊁系泊系统模型以及控制模型,形成一体化耦合分析模第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃81 ㊃型,模拟不同工况下浮式风电系统的性能响应㊂一般采用时域分析方法模拟浮体结构在各种工况下的各种响应,然后,统计响应的最大值㊂与传统海洋工程结构物分析比较,浮式风电总体性能分析有如下不同:①建立动力学方程的基本理论有差异,传统海工结构物基于单刚体动力学,浮式风机基于多体动力学;②传统海工结构物仅需考虑风的拖曳力,而浮式风机需考虑气动载荷;③浮式风机的设计载荷工况比传统海工结构物更复杂;④传统海工结构物分析一般采用频域的分析方法,而浮式风机平台的载荷非线性效应更依赖于时域分析;⑤目前需要风机厂商㊁浮体设计㊁电缆供应方等多方合作,完成多轮迭代计算㊂海上浮式风电装备分析的工况一般可根据风力发电机组的全生命周期内运行状态分类,如发电㊁停机㊁运输㊁安装和维修等不同运行状态㊂每种运行状态再按照风况㊁海况等条件细分,具体可参考相关规范标准[5㊁6]㊂目前行业规范要求载荷工况数量庞大,采用时域分析耗时㊁耗力,还需进一步对此优化研究,更适用于工程设计㊂采用一体化耦合分析,可同时考虑气动载荷㊁水动力载荷㊁系泊载荷㊁控制载荷的非线性效应对浮式风机整体动力响应的影响,能够较为精准地预报整体性能㊂运动性能分析保证平台具有较好的运动表现,能够满足上部风机的发电指标要求㊁系泊要求和动态电缆设计要求;气隙预报是保证平台在极端恶劣海况下波浪不会抨击到风机叶片和浮体上部关键结构;通过整体性能分析可以对系泊系统张力进行预报,判定系泊缆强度安全㊂图4所示是某风机的一体化耦合分析模型㊂图5所示是纵荡图4 某浮式风机一体化耦合分析模型F i g .4 I n t e g r a t e d c o u p l i n g a n a l y s i s m o d e l o f a f l o a t i n gw i n d t u r b i ne图5 某浮式风机六自由度运动响应F i g .5 S i x D o f m o t i o n r e s p o n s e s o f a f l o a t i n g wi n d t u r b i n e㊃82㊃海洋工程装备与技术第10卷控制工况下平台六自由度运动时间历程㊂1.2 结构整体强度海上浮式风电装备结构整体强度主要分析平台在各种载荷作用下的强度表现是否满足要求,主要包括结构的屈服和屈曲强度㊂除浮体构件满足规范规定的描述性构件尺寸外,一般需通过整体有限元计算分析确定㊂根据波浪条件不同,设计工况可分为正常作业海况㊁恶劣海况和极端海况三大类,同时应叠加相应风机载荷工况㊂理想方法也是通过一体化耦合分析手段,分别计算各工况条件下浮体结构的应力时域响应;然后,统计响应最大值进行强度衡准㊂但这种方法面临计算量过大㊁软件手段难于实现等技术难题㊂本文推荐传统海洋工程设计波与风机极限载荷相叠加的方法,进行平台结构整体强度分析㊂设计波分析方法可参考相关规范标准[7]㊂应考虑与相应风机载荷极值进行叠加组合,叠加依据为在选定特征响应基础上,所选取风机载荷对浮式基础结构典型剖面载荷造成更加不利影响,如考虑横摇弯矩波浪工况时,应叠加风机对平台产生的横向最大弯矩㊂应充分考虑对平台结构产生最大影响的剖面载荷,并将该载荷作为设计波选取的特征载荷㊂该方法较为简单,适用于工程设计,且足够保守㊂图6所示为某四立柱半潜式浮式风机结构有限元模型;图7所示为特征剖面标定,并取剖面位置的分离力㊁剪力和弯矩作为特征载荷;图8所示为S E C T I O N 101剖面横向分离力的各浪向幅值响应系数(R A O ),通过4个特征剖面,5个特征载荷,搜索特征载荷最大响应合计构造出18种设计波工况㊂叠加风机载荷效应,最终确定72种组合工况;图9所示为最恶劣工况分析得到的平台应力云图㊂图6 有限元模型F i g.6 F E M m o d el 图7 特征剖面示意图F i g .7 S c h e m a t i c d i a gr a m o f c h a r a c t e r i s t i c s e c t i on 图8 横向分离力的各浪向R A OF i g.8 L a t e r a l f o r c e R A O i n d i f f e r e n t w a v e d i r e c t i on 图9 有限元模型应力分布F i g.9 S t r e s s d i s t r i b u t i o n o f F E M m o d e l 1.3 系泊系统海上浮式风电装备锚泊系统分析主要校核系泊系统强度是否满足要求,包括极限强度和疲劳强第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃83㊃度㊂系泊拉力极限强度校核一般可根据1.1节的总体性能分析中得到的系泊拉力时程变化曲线,经统计得到拉力极值,按规范标准要求的安全系数判定系泊缆强度安全水平㊂图10所示为某浮式风电平台某一系泊索的拉力时程曲线㊂一体化耦合模型中应充分模拟系泊索类型㊁刚度㊁重量㊁长度㊁预张力等重要参数,工况选取可按规范标准要求,适当时可选择最为恶劣工况代表,必要时也应考虑系泊缆发生破损工况下的破损强度㊂系泊系统的疲劳强度一般考虑系缆点(导缆孔)㊁锚链和钢索连接位置㊁躺地拉起以及锚固点等位置处进行疲劳强度分析,如图11所示㊂首先,根据规范标准要求的疲劳计算工况,利用一体化耦合分析方法对漂浮式风机进行一体化仿真,计算不同工况下系泊缆上各个疲劳计算点的张力时程;然后,采用雨流计数法统计各工况下计算点的应力循环幅值和循环次数;最后,根据M i n e r线性累计损伤理论计算其疲劳寿命㊂此方法与传统海洋工程疲劳分析采用的谱疲劳方法不同,采用时域分析方法,并用雨流计数法统计应力循环幅值和频次,累计疲劳损伤㊂因此,工况数量非常多,计算量较大,需进一步优化分析,简化工程计算量㊂图10系泊索拉力变化F i g.10 M o o r i n g l i n e t e n s i o n r e s p o n s es图11系泊索疲劳计算点F i g.11F a t i g u e c a l c u l a t i o n p o i n t o f t h e m o o r i n g l i n e1.4疲劳强度海上浮式风电装备疲劳强度分析主要对由波浪载荷和风机载荷等循环载荷引起的疲劳敏感点进行寿命预报,判定是否满足设计寿命要求㊂一般来讲,对于立柱半潜式浮式风电平台,需计算的疲劳敏感点有立柱与撑杆㊁立柱和旁通㊁立柱与上部结构㊁风机塔筒与上部结构等连接处㊂按照行业规范标准要求,疲劳工况主要由外部海洋环境条件㊁风电机组状态和外部电网状态3部分组成㊂根据机组运行状态又分为正常发电㊁发电和故障㊁启动㊁正常停机㊁停机㊁停机和故障㊁安装及检修7种疲劳工况,对每种工况分别定义了相关的风㊁浪㊁流㊁水位和外部电网条件㊂疲劳分析采用正常湍流风模型和波浪谱模型,并考虑风和波浪载荷的联合概率分布㊂㊃84㊃海洋工程装备与技术第10卷目前,对于浮式风电平台的疲劳分析方法并没有明确规定,但为保证计算精度,降低建造成本,建议使用时域分析方法㊂理想时域方法是做结构应力的一体化耦合分析,但需要的算力太大,目前难以实现㊂本文建议采用半耦合时域分析方法,即风机载荷引起的时域疲劳与波浪载荷引起的时域疲劳叠加的方式,计算流程如图12所示㊂具体如下:图12 时域疲劳计算方法F i g .12 T i m e d o m a i n f a t i gu e c a l c u l a t i o n m e t h o d ①通过1.1节中所述一体化耦合分析方法,按照规范要求的疲劳工况,将风载荷作用于平台,得到风机塔筒法兰处六自由度的载荷时历曲线;②将得到的载荷时历施加到结构有限元模型上,得到计算疲劳节点由风机载荷引起的应力时历曲线;③应用同一疲劳工况下风速对应的随机波浪作用于平台,可以得到计算疲劳节点由波浪载荷引起的应力时历曲线;④将②和③得到的同一载荷条件的计算疲劳计算节点时程应力进行线性叠加,可得到计算疲劳节点由风机载荷与波浪载荷联合作用下的应力时历曲线;⑤应用雨流计数法统计该载荷条件下的应力循环幅值和频次,根据M i n e r 线性累计损伤理论计算疲劳损伤;⑥根据风速波高周期联合概率分布,叠加不同风速㊁波高㊁周期㊁风向等载荷条件下的疲劳损伤,可得到计算疲劳节点的最终疲劳寿命㊂规范要求的工况较多,涉及风㊁浪㊁流联合概率分布,基本上工况数量要以万计,且计算过程中涉及动力时程分析,计算量及所需存储空间巨大㊂因此,从计算方法㊁工况统计㊁仿真分析等方面仍需进一步优化和提升㊂图13所示为某浮式风电平台的疲劳节点细化有限元模型图;图14所示为某疲劳节点的风机载荷与波浪载荷联合作用下的应力时程曲线;图15所示为通过雨流计数法统计得到的应力循环幅值和频次分布㊂1.5 稳性校核海上浮式风电装备稳性校核主要分析平台在拖航㊁安装㊁作业和停机状态下,抗倾覆能力是否满足要求,一般应包括完整稳性和破损稳性分析㊂传统海洋平台稳性校核较为成熟,主要建立平台稳性模型,依据相关规范标准要求进行稳性衡准㊂浮式风机平台稳性具备自身特点,风载荷不是传统的静态载荷,需要考虑风机发电工况下的气动载荷㊂海工结构物常用的风载荷计算公式不再适用,需用叶素动量理论求解㊂而且倾斜到一定角度时,风机停第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃85 ㊃图13 旁通和斜撑连接处F i g .13 J o i n t o f po n t o o n a n d b r a ce 图14 风机载荷与波浪载荷联合作用下的应力时程F i g .14 S t r e s s t i m e h i s t o r y un d e r c o m b i n e d a c t i o n o f w i n d t u r b i n e l o a d a n d w a v e l o ad 图15 应力循环幅值和频次分布F i g .15 D i s t r i b u t i o n o f s t r e s s c y c l e a m p l i t u d e a n d f r e q u e n c y㊃86㊃海洋工程装备与技术第10卷机会造成风载荷减小,如图16所示㊂关于稳性校核的风速要求㊁衡准标准及相关分析方法可参考船级社规范标准[5]㊂关于与传统油气平台相比,浮式风电平台的安全等级要求不同,是否可以降低稳性评价标准,还需进一步研究[8]㊂图17所示为某浮式风电平台的稳性分析模型㊂图16 发电工况下稳性校核标准F i g .16 S t a b i l i t y ch e c k s t a n d a r d u n d e r p o w e r pr o d u c t i o n c o n d i t i o n 1.6 动态电缆作为海上浮式风电装备的重要组成部分,动态电缆构型设计至关重要,一般需要进行静态强度分析㊁动态响应分析和疲劳分析㊂理想的一体化分析模型应包括动态海缆,分析浮式风电平台与动态电图17 静水力模型三维视图F i g .17 H yd r o s t a t i c m o de l 3D v i e w 缆的相互影响,从而确定动态电缆的设计参数和形态㊂但目前受限于各方面条件,动态海缆与浮式风电平台分析往往采用分离的做法,忽略海缆与浮体之间的耦合约束㊂动态海缆设计需要考虑浮体运动对其产生的影响,尤其极端工况下应对浮体运动提出限制性要求㊂2 工程实践国内浮式风电技术发展很快,已经有多台浮式风电装备陆续进入示范应用阶段,也在逐步探索商业化应用㊂目前浮式风电平台以立柱半潜式结构型式为主,几个已建和在建的平台相关性能参数如表1所示㊂表1 国内浮式风电装备性能参数T a b .1 P a r a m e t e r s o f d o m e s t i c f l o a t i n g w i n d t u r b i n e e q u i pm e n t 项目名称三峡引领号中船扶摇号中海油融风项目龙源风电养殖融合项目结构型式三立柱半潜式三立柱半潜式四立柱半潜式三立柱半潜式风机容量5.5MW6.2MW7.25MW4MW作业海域及水深南海阳江海域水深30m 南海湛江海域水深65m 南海文昌海域水深120m 台湾海峡南日岛海域水深35m 适应环境条件作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速51.2m /s,有义波高10.6m ,表面流速1.2m /s )作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速51.8m /s ,有义波高9.5m ,表面流速1.0m /s )作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速54.7m /s,有义波高12m ,表面流速2.18m /s)作业海域50年一遇极端风浪流条件(轮毂高度风速46.2m /s ,有义波高4.77m ,表面流速1.23m /s)运动性能指标发电工况,平台整体运动倾角不超过5ʎ;极端工况,倾角不超过12ʎ发电工况,平台整体运动倾角不超过5ʎ;极端工况,倾角不超过10ʎ发电工况,平台整体运动倾角不超过4ʎ;极端工况,倾角不超过11ʎ发电工况,平台整体运动倾角不超过5ʎ;极端工况,倾角不超过9ʎ主尺度总长79m ,型宽91m ,型深32m 总长72m ,型宽80m ,型深33m 总长72m ,型宽80m ,型深35m 总长72m ,型宽82m ,型深24m 排水量1.3万吨1.56万吨1.26万吨0.94万吨系泊型式3ˑ3型式3ˑ3型式3ˑ3型式3ˑ3型式第2期李红涛,等:海上浮式风电装备关键技术工程探索与实践㊃87 ㊃ (续表)项目名称三峡引领号中船扶摇号中海油融风项目龙源风电养殖融合项目示意图国内海上浮式风电装备开发过程中的问题和建议分析如下:①结构型式主要以三/四立柱半潜式型式为主,此种结构型式技术成熟,结构较为简单,适应性较好,被行业认可度高㊂随着技术不断进步,也出现其他型式,如T L P ㊁S P A R 等基础型式㊂②由于处于示范应用阶段,作业水深普遍较浅,只有中海油融风浮式风电作业水深达到100m 以上㊂浅水对于系泊设计提出了更大挑战,有效限制浮体运动,对于整体系统设计要求更高,如 三峡引领号 作业水深只有30多米㊂随着海上风电开发向深海发展,浮式风电技术也会逐步走向深水㊂③工程上还没有实现上部风机和下部浮体的全耦合设计,只是下部浮体设计单位和风机厂商进行多轮迭代设计㊂尽管设计方法上已经有了较大进步,但在降本增效的大背景下,提高设计精度㊁降低设计工程成本㊁优化基础理论等方面仍有较长路要走㊂④浮式风电技术与其他技术的融合,如龙源项目在立柱之间布置网箱进行养殖,还有与波浪能㊁潮汐能发电功能的融合发展等,面临多种载荷耦合㊁多种工况组合㊁多样风险标定等很多工程挑战,还需对相关关键技术进一步研究㊂⑤浮式风电浮体一般由船舶与海工行业单位设计,而风机和发电要求一般由电力行业主导㊂因此,行业的不同造成设计理念㊁方法和依据标准的不一致㊂例如,国内海工结构设计一般以工作应力法(W S D )为主,和电力行业要求的抗力和载荷系数法(L R F D )不同,应加强行业的融合和统一㊂⑥相关规范标准仍不完善㊂目前,浮式风电平台设计要求还以国内外船级社规范标准为主,但浮式风电平台技术较传统海上油气装备,具备自身的技术特点,风险和安全等级有所区别㊂因此,亟需建立适应国内海洋环境条件和海上风电行业的技术规范标准体系㊂⑦工程设计软件卡脖子 现象严重㊂无论是风机设计软件,还是浮体设计软件,仍被欧美软件所垄断㊂国内海上风电行业如想行稳致远,需在工程设计软件开发上突破,建立自己的工业软件体系已经迫在眉睫㊂⑧由于国内特有的环境条件,如台风㊁内波㊁冰情㊁复杂海底条件等,因此,浮式风电装备的安全性和可靠性还有待进一步验证㊂3 前景展望在全球海洋清洁能源开发和国内 双碳战略发展的大背景下,海上浮式风电技术具有广阔的发展前景,将伴随全球海上风电商业化开发热潮而日趋成熟㊂就国内而言,海上浮式风电领域仍存在诸多关键技术需集中研发和突破,仍需随着技术不断成熟进一步降低开发成本㊂这才是浮式风电技术的真正生命力所在㊂除了利用浮式风机进行传统的并网输电之外,利用浮式风机为油气平台㊁附近设施供电,与深远海养殖业融合发展,与海上制氢结合,避免电力的远距离输送,等等,为浮式风电技术发展提供了更多的应用场景[9㊁10]㊂4 结 语海上浮式风电装备涉及多结构㊁多学科交叉,较传统的海上油气平台以及固定式海上风电装备有很大的差异㊂环境载荷影响更为显著,在气动水动系泊载荷耦合作用下的响应也更加复杂㊂在工程设计阶段准确预报和分析浮式风机的各种表现至关重要㊂本文系统提出了浮式风电装备工程设计阶段需要分析的关键内容,给出解决思路和推荐方法;结合国内实际工程案例,给出相关有益结论㊃88㊃海洋工程装备与技术第10卷和建议,对我国浮式风电进行了很好的工程探索和实践㊂从全球行业发展来看,海上浮式风电技术尚处于应用示范和商业化初步阶段,我国与国外发达国家相比水平差距不大,只要我们加强关键技术攻关,努力开展全行业协同创新,积极进行示范应用引领,实现弯道超车指日可见㊂参考文献[1]欧洲风能协会.欧洲风能:2021年统计与2022 2026年展望[R].2022.[2]陈嘉豪,裴爱国等.海上漂浮式风机关键技术研究进展[J].南方能源建设,2022,7(1):820.[3]王宾,李红涛,唐广银.海上浮式风机研究进展概述[J].海洋工程装备与技术,2018,(5):220225.[4]肖然.海上漂浮式风机子系统技术特点浅析[J].能源与环境, 2022,(3):3840.[5]中国船级社.海上浮式风机平台指南[M].北京:人民交通出版社,2022.[6]I E C.D e s i g n R e q u i r e m e n t s f o r O f f s h o r e W i n d T u r b i n e s[J].I E C614003,2021.[7]D N V.C o l u m n S t a b i l i z e d U n i t s[S].D N V R P C103, 2012.[8]M U S I A L W D,B U T T E R F I E L D C P,B O O N E A.F e a s i b i l i t y o f F l o a t i n g P l a t f o r m S y s t e m s f o r W i n d T u r b i n e s[C].A S M E. 23r d A S M E W i n d E n e r g y S y m p o s i u m P r o c e e d i n g s,R e n o, N e v a d a,J a n.,2004.[9]李红涛.全球海洋新兴经济和技术发展全景扫描[J].中国船检,2022,(6):816.[10]W A L S H C.O f f s h o r e W i n d i n E u r o p e-K e y T r e n d s a n d S t a t i s t i c s2019[R].B r u s s e l s:W i n d E u r o p e,B r u s s e l s,2020.。
海上浮动式风力机水动力辐射载荷仿真的状态空间实现
海上浮动式风力机水动力辐射载荷仿真的状态空间实现胡亚琪;贺尔铭;杨佳佳;肖文耀;姚文旭【摘要】The traditional time-domain convolution method on hydrodynamic radiation load calculating for offshore floating wind turbines is complicated in calculation and low in computation efficiency , and it can increase difficulty in the analysis and design of the wind turbine control systems .For that, a parametric state space model as an equiv-alent calculation method replacing the numerical convolution method is proposed to calculate the hyDrodynamic ra -diation load of offshore wind turbines .Four parameter identification methods , two in the frequency domain and two in the time domain, are selected to identify the state space model , and these identified state space models were in-tegrated within the HydroDyn code , which is a hydrodynamic calculating subroutine of the famous high fidelity wind turbine simulation toolFAST .Taking three typical platforms of offshore floating wind turbines as examples , hydro-dynamic radiation loads are simulated using the proposed state space method and the traditional time domain convo -lution method respectively under different wave conditions .The calculation efficiency is evaluated from two aspects of the computational precision and time .Simulation results show that the state space method has sufficient accuracy , and it can reduce 90%and 30%computational time in uncoupled and coupled calculation style .The state space method could make up for the shortcoming of the traditional convolution method , and itcould save time cost for de-signing of offshore floating wind turbines .%海上浮动式风力机水动力辐射载荷模拟的传统时域卷积方法计算效率较低,会增加风机控制系统分析和设计的困难,为了解决这一缺点,提出利用一组参数化状态空间模型替代时域卷积法来实现海上浮动式风力机水动力辐射载荷的等效计算方法.分别从频域和时域识别角度对状态空间模型进行系统识别;将状态空间模型与风机动力学分析程序FAST及其子程序HydroDyn进行耦合;以3种典型的浮动式风机平台为研究对象,分别利用状态空间法和时域卷积法仿真其在真实海洋环境下的水动力辐射载荷;以时域卷积法仿真结果为标准,从仿真精度和时间两方面综合评估状态空间法的计算效率.研究结果表明,与传统时域卷积法相比,状态空间实现法识别的海上浮动式风机水动力辐射载荷具有很高的模拟精度,其在非耦合和耦合计算方式下的仿真时间可分别减少70%和30%以上.状态空间实现法可有效解决时域卷积法的不足,为海上浮动式风力机的设计节省时间成本.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2017(035)005【总页数】9页(P804-812)【关键词】海上浮动式风力机;水动力辐射载荷;状态空间模型;参数识别;时域;频域;卷积【作者】胡亚琪;贺尔铭;杨佳佳;肖文耀;姚文旭【作者单位】西北工业大学航空学院,陕西西安 710072;西北工业大学航空学院,陕西西安 710072;西北工业大学航空学院,陕西西安 710072;西北工业大学航空学院,陕西西安 710072;西北工业大学航空学院,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】P731.22海上浮动式风力机设计的前提是要对其进行准确的气动-水动-伺服-弹性时域全耦合分析,即通过数值积分方法求解其全耦合运动微分方程从而获得风机系统响应结果的时间历程数据。
海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析
海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析彭春江;胡燕平;程军圣;沈意平【摘要】基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学建模和分析.首先建立浮式平台的水动力载荷模型,然后,把塔架和叶片等柔性件离散为有限个刚性单元体,并采用模态叠加法计算每一离散单元的偏速度和偏角速度,最后采用凯恩方法建立刚柔耦合结构动力学模型.以美国可再生能源实验室(NREL)海上5 MW半潜式风电机组为算例,结合气动力载荷模型和水动力载荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算,主要从输出功率、叶尖及塔顶振动信号的耦合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2016(027)004【总页数】8页(P461-468)【关键词】海上浮式风电机组;凯恩方法;模态叠加法;结构动力学建模;刚柔混合多体【作者】彭春江;胡燕平;程军圣;沈意平【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南科技大学,湘潭,411201;湖南科技大学,湘潭,411201;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南科技大学,湘潭,411201【正文语种】中文【中图分类】TK83陆上及浅海风资源开发终会饱和，深海蕴藏丰富的风资源，利用浮式风电机组开发深海风资源是风电行业未来的发展方向[1]。
海上浮式风电机组由浮式平台、塔架、机舱、轮毂、叶片、传动系统组成。
其中，塔架和叶片属细长结构，在动力学研究中必须视为柔性体。
而浮式平台的水动力作用使得整机系统耦合动力学行为和动态性能分析更加复杂。
因此，必须运用刚柔混合多体动力学理论及水动力理论来建立海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学模型，以揭示海上浮式风电机组整机的复杂耦合振动关系，为海上浮式风电机组的设计、控制、优化提供理论基础。
目前在风电机组动力学建模与分析中[2-4]，大多针对风电机组局部进行建模，如叶片、塔架、传动系统等，而对风电机组整机结构动力学建模的研究较少，特别是针对海上浮式风电机组整机结构的动力学建模。
浮式海上风电机组试验模型相似准则与风荷载模拟装置
浮式海上风电机组试验模型相似准则与风荷载模拟装置李玉刚;赵志峰;任年鑫【摘要】浮式海上风电机组(FOWT)作为一门新兴的前沿学科,相关研究强烈地依赖波浪水池模型试验,模型试验结果的准确性和可靠性不仅取决于模型本身能否反映实际结构的几何与力学特征,而且取决于试验环境能否重现自然的海洋环境.因此,当前适用于FOWT波浪水池模型试验的相似准则和风荷载模拟技术研究显得尤为重要,分别针对以上两方面内容阐述了当前国内外研究现状及存在的问题,为FOWT 波浪水池模型试验提供有益的借鉴.【期刊名称】《实验室研究与探索》【年(卷),期】2016(035)002【总页数】4页(P4-7)【关键词】浮式海上风电机组;模型试验;相似准则;风荷载【作者】李玉刚;赵志峰;任年鑫【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,深海工程研究中心,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,深海工程研究中心,辽宁大连116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,深海工程研究中心,辽宁大连116024【正文语种】中文【中图分类】U661海上风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。
当海水深度超过50 m时，浮式海上风电机组(FOWT)将具有更好的经济可行性[1]。
目前，大功率风电机组和浮式平台是开发海上风能产业的两大技术趋势[2]。
世界范围内适合发展FOWT的区域为：欧洲西海岸，地中海，北海深水区域，美国的东北和西海岸，亚洲(日本，中国，韩国)[3]，因此大力开发FOWT将具有广阔的应用前景。
FOWT作为一门新兴的前沿学科，相关研究强烈地依赖波浪水池模型试验，而模型试验结果的准确性和可靠性一方面取决于模型本身能否反映实际结构的几何与力学特征；另一方面也取决于试验环境能否重现自然的海洋环境。
因此，当前适用于FOWT波浪水池模型试验的相似准则和风荷载模拟技术研究显得尤为重要。
本文分别针对以上两方面内容阐述当前国内外研究现状及存在的问题，为FOWT波浪水池模型试验提供有益的借鉴。
在SIMAPCK中对海上风机水动力进行建模
在SIMAPCK中对海上风机水动力进行建模随着海上风机的逐步发展，为精确的对海上风机进行仿真，就需要考虑海上风机的运行环境。
深海浮动式风机由于其巨大的经济潜力，从而成为海上风机发展的趋势。
为精确的模拟海上风机，来自斯图加特大学的风能实验室（SWE）将SIMAPCK软件与来自NREL的水动力软件HydroDyn相互耦合，来做海上风机的动力学分析。
有了水动力模型，再加上SIMPACK 的传动链模型和空气动力学模型，就可以在SIMPACK中对海上浮动式风机进行模拟了。
1.海上风机的水动力海上风机的基础支撑结构包括：●单桩式（近海重力式和负压筒式）；●夹套式和三角架式（深达50米）；●深海浮动式；一般来说，海上基础所承受的水动力的动态和静态载荷是由于波浪和水流作用在水面下的基础的表面压力引起的。
在海上术语里，这些载荷分为：●浮力（静水恢复力）●射流力：附加质量的惯性力粘滞阻尼力●波浪扰动力衍射（入射波散射）Froude-Kriloff压力场（静水压力）✧洋流力✧非线性高阶力（缓慢漂移力、平均漂移力和混频力）很多风机的基础结构采用的是对称的细筒式结构，这种结构就可以使用简单却有效的半经验Morison方程来解决。
半经验Morison方程假定在基础附近的洋流加速度是一致的，这样就大大简化了波浪衍射的问题。
一般来说，这种假定需要基础圆柱的直径D要远远小于波浪的波长L（一般D/L的值要小于0.15-0.2）。
并且还假定相对运动比较小，从而粘滞阻力要远远大于粘滞阻尼力；射流阻尼力可以忽略；作为对称的圆柱结构，非对角线的附加质量可以忽略不计。
因为Morison方程中包含一些经验系数，比如附加质量、惯性力和阻力（这些依赖于Keulegan-Carpenter数、雷诺数和表面粗糙度）。
如果对这些参数多加注意的话，半经验的Morison方程可以得到比较好的结果。
对于结构直径比较大而且相对运动也比较大的结构（典型的如三角架式基础或者浮动基础），洋流的射流和衍射对（Morison方程不考虑这些）于水动力的影响就比较重要了。
漂浮式海上风力机全机结构自振特性仿真
漂浮式海上风力机全机结构自振特性仿真柯世堂;胡丰;曹九发;王同光【摘要】针对漂浮式海上风力机全机结构的动力特性问题,以某3 MW漂浮式海上风力机系统为例,基于有限元方法分析了系统自振频率和振型的分布特征,并进行漂浮式海上风力机全机自振特性的参数分析,最后给出全机结构基频和倾覆频率的计算公式.分析表明,漂浮式海上风力机系统自振频率非常低且分布密集.系统基频与拉索锚固深度以及叶片长度呈线性递减关系,与浮筒半径呈反比,与拉索的总截面面积以及塔架高度呈二次曲线关系.倾覆频率与参数的关系则牵涉高次项,较上述关系更为复杂.文中给出的拟合公式计算值与有限元值吻合较好,说明其在预测漂浮式海上风力机系统自振频率方面具有较高可信度.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷),期】2015(047)004【总页数】7页(P595-601)【关键词】漂浮式海上风力机;有限元方法;自振频率;参数分析;拟合公式【作者】柯世堂;胡丰;曹九发;王同光【作者单位】南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016;南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室,南京,210016【正文语种】中文【中图分类】TK83;TU279.7风力发电是海上风能最有效的利用方式之一，漂浮式海上风力机作为一种新颖的结构体系，因其适用于较深海域且安装简易、造价较低，近年来受到广泛关注[1-2]。
挪威在2009年建立了世界首座漂浮式海上风力发电机组，日本在2011年福岛核电站事故后已新建漂浮式海上风力发电机组，中国在东海已初步尝试了漂浮式海上风力发电机组技术，目前有部分海上组合式漂浮风力发电机组即将投运。
由于漂浮式风力机系统是由叶片、机舱、塔架、浮筒、拉索等多个部件组成的有机整体，结构的自振特性十分复杂，加之其受工作环境的影响较大，如风、波浪、地震的作用等，动力分析愈发复杂，因而距离其大规模应用仍有待深入研究，尤其是对此类结构体系动力特性的研究和结构形式的优化。
高应变动力测试及打桩模拟软件在海上风电项目中的应用
高应变动力测试及打桩模拟软件在海上风电项目中的应用近几年，每年的在建及核准的海上风电项目，投资规模高达数千亿，经济体量巨大。
但随着国家补贴的逐步减少，以及平价上网要求的提出，海上风电项目成本控制就变得尤为重要。
海上风电项目中，风电机组基础及施工所占的成本比重很高，我国海上风电机组基础很多采用单桩基础，单桩基础中多为大直径钢管桩，光是钢管桩本身成本就极高，以4兆瓦机组为例，单桩基础造价就可达900到1300万元，部分地质条件复杂的地区，造价甚至可高达2000万元。
因此，单桩基础施工的成败以及施工过程监控就尤为重要。
欧美大地代理的高应变打桩分析仪、水下主电缆和水下传感器的应用可以在正式施工之前，对打桩过程进行可打性分析，减少不必要损失。
单桩基础在设计和施工过程中通常会比较关注以下问题：•打桩过程中是否会出现溜桩•打桩过程中桩身应力•打桩至预定标高时的承载力使用打桩模拟软件GRLWEAP，在正式施工之前，来对打桩过程进行可打性分析，预测打桩过程中的一系列参数，包括：桩身应力，贯入度，承载力，以及打桩能量等，通过对这些参数的解读，来分析设计桩型，在已知地层中，使用选定的打桩锤是否可以顺利施工。
该软件主要适用人群有两类，设计方和施工方。
设计人员可借助该分析来优化其设计方案，例如在合理锤击能量下，桩身应力过大，则可能需要考虑修改桩身参数，如加大壁厚等；施工方则可借助该软件分析来帮助选锤，根据设计方提供的桩身设计参数和已知的地质参数，选择合适的锤型，保证顺利把桩打入到指定标高。
无论是哪一方，都可以在该软件的帮助下，以极低的成本，甚至无成本试错，拿出最经济合理的方案，减少不必要的经济损失。
不过GRLWEAP软件的可打性分析只是一个模拟，所得出的参数的可靠性很大程度上取决于地质参数的准确性。
因此对于海上风电单桩基础，在施工过程中进行高应变测试可以得到很多有用的真实数据，对于单桩基础施工过程的控制很有意义。
高应变动测用于海上钢管桩测试是非常理想的，一来海上钢管桩的施工方式为高应变测试提供了理想的条件：•桩身材质均匀稳定，非常契合高应变测试的理论基础•锤击条件好，海上钢管桩施工多使用液压锤或柴油锤，锤击能量大，居中好二来高应变检测也能够为海上钢管桩施工提供很多有用的参数：•确定承载力•监测打桩应力•检查桩的完整性•确定锤的性能海上高应变测试一般有两种目的，一种是承载力验证，一种是打桩过程监控。
海洋工程物理模型试验中风场模拟方法研究
风的模拟最早和比较成熟的方案是通过风洞来 实现的。风洞[4―8]是空气动力学研究和试验中最广泛 使用的工具，起先用于各种飞行器的研制服务，用 来确定飞行器的气动布局和评估其气动性能等；现 在风洞试验已经从航天领域广泛推广至其他领域， 如污染扩散及防治、风力工程、建筑设计、环境规 划等，在这些领域中，风洞试验主要用于对大气边 界层的模拟，原型风速一般小于 100m/s，属于低速 环境风洞。
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图2BlueH-5MW 概念Fig.2BlueH-5MW concept图1BlueH -80kW 小样机Fig.1BlueH -80kW prototype收稿日期：2011-03-04；修回日期：2011-06-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（（50979020）；“111”计划资助项目（B07019）作者简介：赵静（1983—），女，吉林长春人，博士，从事海上风力机基础设计与载荷预报及海上风能开发与利用技术研究。
E -mail ：zhaojing20062007@在水深大于50m 的深水区域安装海上风电机组，固定式桩基础或导管架式基础的成本很高。
而使用浮式结构作为海上风力机的基础平台，平台再用锚泊系统锚定于海床，其成本较低，且容易运输，因此开展海上浮式风电场建设的基础理论和试验技术的研究，为我国在更广阔的海域建设更大型风电场，实现节能减排的目标，具有重要的理论价值和长远的战略意义。
1海上浮式风电机组目前，国际上对于海上浮式风电机组（FOWT ）的研究基本处于基础理论和实验研究阶段，真正投入建设并运行的只有2个样机，即英国的Blue H 风电机组［1］和挪威的Hywind 风电机组［2］。
1.1BlueH 风电机组英国Blue H 公司于2008年夏研制出世界上首第44卷中国电力新能源图4Hywind-5MW 模型试验Fig.4Hywind-5MW experiment1.2Hywind 风电机组2009年春，挪威国家石油公司建成全尺度样机Hywind （见图3）安装于水深200m 、离岸10km 处的挪威西南部海域。
该风力机为2.3MW 叶片风力机，带有压载物的Spar 浮体和3根固定于海底的强力锚链线，吃水100m ，适用水深为200~700m 。
2006年，Hywind 概念就已经发展到5MW ，并据此进行了详细的数值模拟和模型试验研究（见图4）。
2海上浮式风电机组的概念形式早在20世纪90年初期，各国学者就开展了海上浮式风电机组的研究，提出了各种概念形式［3］。
除上面提到的2个样机外，比较著名的海上浮式风力机概念还有：荷兰提出的框架式结构Tri-floater ［4］（见图5a ））；挪威提出的半潜式结构WindSea ［1］（见图5b ））；TLP 与Spar 组合结构Sway ［5］（见图5c ））；美国提出的半潜式和垂荡板组合结构Minifloat ［6］（见图5d ））；Windfloat［1,7］（见图5e ））以及TLP 与Spar 组合的mini TLP 式［8］（见图5f ））。
这些概念大多来源于海洋平台的结构形式或者经过改造后的再创造。
单独考虑下部浮体的性能时，可参考海洋工程的实际经验（见表1）。
但是海上浮［9］，主要表现为：结构相图3Hywind-2.3MW 概念Fig.3Hywind-2.3MW concept图5海上浮式风力机概念Fig.5FOWT concept表1海上浮式风电机组的基础结构性能对比Tab.1Performances of FOWT foundation structures赵静等：模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用第9期新能源对柔性、结构动力学支配设计、风载荷和浪载荷量级相当且都起主导作用及力和响应的关系复杂无关联等。
所以，究竟何种结构形式具有最优的性能且适合于大规模海上浮式风电场建设，还有需要大量的理论分析和试验验证。
3海上浮式风电机组试验研究国际上对于海上浮式风电机组的试验研究也开始于20世纪90年代，最早从英国FLOAT 项目（见图6a ））开始，早期发展比较缓慢，最近几年随着海上风场的大规模开展，各国开始迅速投入此项研究。
3.1国外研究进展见国外开展了各种形式海上浮式风电机组试验，比较有代表性的有表2和图6所示的几种。
由于海上浮式风电研究理论尚不成熟，模型试验研究更是没有公认的标准规则可循，已经开展的试验都是参考海洋工程试验进行简化模拟，主要研究风力机和浮体相互影响，测量风浪同向条件下系统的三自由度（纵荡、垂荡、纵摇）运动响应，某些试验还测量了塔架和叶片受力。
虽然试验的数量比较有限，且有很多简化和不足之处，但是每项试验都在前人研究的基础上进行了独特的创新和探索，取得了许多有价值的结果（见表3）。
3.2国内研究进展我国的海上风电模型试验研究刚开始起步，哈尔滨工程大学海洋可再生能源研究所首次开展了海上浮式风电模型试验研究。
模型的基础结构选用新型4个浮筒半潜式平台形式（见图7），锚泊系统为9条锚链线对称分布，模型缩尺比采用1∶50。
表2各国海上浮式风电机组模型试验技术参数图6海上浮式风力机模型试验Fig.6FOWT model experiments第44卷中国电力新能源图7新型半潜式海上风力机概念Fig.7New semi-FOWT concept表3海上浮式风电机组模型试验特点Tab.3Features of experimental models模型实验在哈尔滨工程大学船模拖曳水池（108×7×4m 3）中进行。
试验中将风力机－平台模型系泊在水池中，在选定典型海洋环境工况下进行规则波和不规则波模型运动性能测量试验。
平台的运动采用无接触式光学六自由度三维运动测量系统测量。
4模型试验技术分析尽管各国的浮式风电模型试验研究存在差异性，但是也具有很多的共通性，可以为后续研究提供参考依据。
下面针对各技术要点逐一展开分析。
4.1环境条件模拟4.1.1造风系统陆上风力机的模型试验都在风洞中进行，但风，无法满足海上风力机试验要求。
目前我国还没有专门针对海上风力机试验的水池，但是某些船舶稳性试验时在水池上建造风洞的方法为海上风机试验提供了参考。
风洞大小应依据水池的长宽等实际情况而设计，洞口底部应与水平面齐平。
在不具备风洞条件下，可在水池中可使用风机矩阵造风。
造风时应注意各种水池的区别。
（1）海洋工程水池中应采用风机矩阵的方式模拟风场，即将数十个风机组成一个阵列，利用风机产生的空气循环形成风场。
须将试验区域布置在风机矩阵3m 以外，同时距离池壁也需要在2.5m 以外，才能保证试验风场的均匀性。
（2）船模拖曳水池的纵向长度较大，很难形成密闭空间造成稳定均匀风场，试验区域应布置在风机矩阵1m 以内，以保证风速的稳定。
这类风机矩阵中风机的数量较少，按照品字形排列，目的是覆盖各风机之间的空隙（见图4和图6）。
4.1.2造波水池造波水池应根据平台基础结构类型和设计水深来确定。
例如，TLP 式和Spar 式等深吃水平台，应选择海洋工程水池（水深5~35m ），半潜式和框架式平台建议选择船模拖曳水池（水深1.5~3.5m ）。
4.1.3设计工况海上浮式风电机组的组合工况数量繁多，模型试验可简化为2种工况：运行工况和生存工况。
运行工况下，风速范围从切入风速到切出风速，波浪参数根据目标海域的作业海况选取；生存工况下，风力机顺桨停机，风速可取极限风速或切出风速，波浪参数取50年一遇或100年一遇极限海况。
赵静等：模型试验技术在海上浮式风电开发中的应用第9期新能源4.2模型设置4.2.1相似准数海上浮式风电机组主要受到重力、惯性力和周期性非定常流体力的作用，可参照海洋工程模型试验，除保证几何相似之外，还应保证Froude数和Strouhal数相等（两者均为流体力学相似准数，前者是惯性力与重力量级比，后者是局部惯性力与对流惯性力量级之比）。
4.2.2模型缩尺比由于海上浮式风电机组的设计水深介于海洋平台和船舶之间，应根据水池水深综合考虑缩尺比。
海洋工程试验推荐的最佳缩尺比为1∶60~1∶80；而船模试验中只要能避开尺度效应的缩尺比就可以使用。
在海洋工程水池进行海上浮式风电机组模型试验可选择较小的缩尺比；而在船模拖曳水池进行的可选择较大的缩尺比（见表2）。
4.2.3风力发电机模拟由于风力机的特性不同与海洋平台，在模型试验中无法保证所有的相似准数准确模拟。
模型试验可以采用简化方法，将风电机组的重量等效为塔顶处的集中质量。
运行工况下，风力机可等效为圆盘，塔架顶端安装电动机带动金属棒旋转，以模拟风轮回转效应（见图8a））。
此外，叶片应带有配重以保证叶片重量和惯性矩与原型风力机相似，同时发动机的转速与原型风力机保证Froude数相等；生存工况下，风力机停机，受风面积减少，模型可以等效为3根梁（见图8b））。
等效原则为：风轮旋转产生的推力（F风轮）等于盘面所受阻力（F盘面），即式（1）和式（2）相等，可求出等效圆盘的直径。
F风轮=12ρCTπD2风轮4V2（1）F盘面=12ρCDπD2盘面4V2（2）式中：CT 为风力发电机的推力系数；CD为等效盘面的阻力系数；V为风速。
4.2.4锚泊系统模型目前设计的海上浮式风电机组的锚泊系统多选为悬链线形式（见图9a）），锚链系统模型应按照几何相似，单位长度重量相似和弹性系数相似进行模拟。
作用在锚泊系统的外力主要为流载荷，所以悬链线可以简化为水平和竖直分布的线性锚泊线（见图9b））。
当不考虑流作用时，可以忽略锚链线在竖直方向的刚度，则锚泊系统可进一步简化为水平方向的线性弹簧（图中K为弹簧的刚度系统）。
4.3技术路线目前我国对于海上风力机的研究重点还集中在固定式基础形式，未开展过实验研究，对于浮式风电的研究更是刚刚起步，尚处于使用国外数值模型进行理论研究的阶段。
但我国在此领域依然具有一定的理论基础和技术条件。
首先，我国已经成功运营2处海上风电场，并已在潮间带和滩涂地区规划建设更大规模的海上风电场。
这些海上风电场的成功都为我国自主设计研发海上风力机积累了设计经验，奠定了理论基础。
此外，国内的哈尔滨工程大学和上海交通大学等多所科研院所都建有船模拖曳水池和海洋工程水池，可以进行各种基础形式的海上风力机模型模拟。
同时，我国的风洞试验技术已经达到世界先进水平，将此技术与水池试验技术结合，可以推动我国的海上风电模型试验研究向更加深入方向发展。
结合以上的实际情况，我国浮式海上风电研究可按照如下技术路线进行开展：（1）基于水动力学和空气动力学的基本理论建立风力机－平台－锚泊系统动力学数学模型，开展载荷及运动预报方法研究；（2）在数值分析的基础上，研制海上浮式风力机基本模型，在风浪水池中开展典型工况下模型运动性能测量试验，获得实验数据，为理论预报方法的建立和数值计算结果验证提供可靠的依据；（3）在模型试验的基础上，设计建造一个浮式风力机样机，在沿海某地区进行海上试验，图8风力机受风盘面模型Fig.8disk model for attracting wind loads图9锚泊系统模型Fig.9mooring system model第44卷中国电力新能源Application of model experiment technology to floating offshore wind farm developmentZHAO Jing 1，ZHANG Liang 2，YE Xiao -rong 3，WU Hai -tao 4（Institute of Ocean Renewable Energy System,Harbin Engineering University,Harbin 150001,China ）Abstract:With energy demand increasing gradually,offshore wind turbines of 5MW or bigger are required in offshore wind farms.The fixed foundation structure cannot meet the requirements,and development of the floating offshore wind turbines （FOWTs ）becomes the new trend.The general characteristics of two FOWT prototypes were presented.The features of different floating foundations were compared.Performences of model experiments were analyzed and the key technologies involved are investigated.Some suitable suggestions on theoretical and experimental researches of floating wind turbines in China were provided.The theoretical foundation for constructions of large -scale offshore wind farms in China was offered.Key words:wind power;offshore wind power;foundation structure;floating platform;model experiment据，完善理论模型，最终研发出性能优良适于大规模风场建设的浮式风力机。