随着化石能源的日益消耗和全球能源紧缺的加剧,可再生能源的探索和开发越来越成为世界各国的重要发展战略。风能作为最具前景的绿色可再生能源之一,其开发利用正逐步从陆上向海上迈进。海上风电开发的环境条件复杂而且恶劣,因此,作为深海风能捕获的主要载体,漂浮式风力机的气动性能、平台水动力性能以及结构动力性能的分析研究对于风力机安全、稳定作业具有非常重要的意义。本文以Spar平台支撑的5MW风力机作为研究对象,对结构的水动力特性展开分析研究,并结合借鉴海上采油Spar平台基础的设计理念和相关减振减摇策略,尝试进行了海上风力机Spar基础的优化概念设计,并对其有效性采用数值模拟加以验证。主要展开了如下工作:1.基于三维势流理论和数值模拟,对Spar承载的5MW漂浮式风力机进行建模和计算,得到了结构在单位波幅入射波作用下的幅频特性,分析了结构的运动响应、附加质量和辐射阻尼、一阶波浪力、二阶波浪漂移力等参数随波浪频率的变化情况。结果发现:结构的纵荡、垂荡和纵摇这三个主要自由度上的运动在入射单元波的频率较低时,容易达到较大的运动响应,三个自由度上的运动固有频率均不到0.4rad/s;另外,二阶波浪漂移力要比一阶波浪激振力的数值小一个数量级,但其对结构的影响作用不可忽视;最后通过对比三种不同水深条件下的结构幅频特性,发现水深对结构在各自由度上的运动固有频率基本无影响,但随着水深增加,垂荡上的幅频响应有增大趋势,包括运动幅值响应算子和附加质量系数。2.根据浮体在环境载荷、锚泊系统以及各部件相互作用下的时域耦合分析方法,并结合系泊系统受力计算理论,对漂浮式风力机在所给环境条件下的时域响应进行了计算分析,包括运动响应(分别为实际响应、波频响应和低频响应)、锚缆张力、系泊力和漂移力等物理量的时间历程,并对相关参数进行了谱密度分析。结果表明:结构的纵荡运动响应主要为长周期的低频响应,功率谱密度主要分布在低频区域(略大于0.04rad/s);而垂荡和纵摇运动主要为波频运动,功率谱密度主要分布在波频区域;三根系泊缆所受截面张力处于同一个数量级,但由于分布不同导致数值有差距,对称布置的两个系泊缆截面张力相接近,均小于沿载荷作用方向布置的系泊缆截面张力,且三者皆未超出系泊缆所能承受的最大张力;平台所受系泊力主要体现在垂向约束上,垂荡方向的系泊力要比纵荡水平方向大一个数量级;时间历程上看,二阶波浪力要比一阶波浪激振力小一个数量级,但它是导致结构水平长周期漂移的主要原因,其作用不可忽视。3.针对Spar平台在海流作用下的内共振和涡激振动问题,结合借鉴海上采油平台的研究基础和经验,将螺旋侧板和垂荡板的设计理念引入到海上漂浮式风力发电机组平台基础的概念设计中,分别对平台周身附加螺旋侧板和多层垂荡板后的漂浮式风力机整机模型进行了数值分析,并与正常情况下的Spar承载的漂浮式风力机水动力参数进行对比,验证所提措施在用于载荷情况更为复杂的漂浮式风力机系统中是否起到对运动性能的优化作用。得到主要结论为:采取附加措施后,结构在垂荡和纵摇上的运动固有频率得到了明显降低(即固有周期增加),且附加质量和辐射阻尼系数都有大幅度提高,降低了平台与波浪发生共振的可能;纵摇的运动响应RAO峰值也得到了明显降低;同时通过考虑环境载荷和系泊作用下的时域分析可以发现结构在垂荡和纵摇上的运动响应的确得到了抑制。综合考虑频域和时域分析的结果,两种措施均能起到对漂浮式风力机Spar平台的水动力特性和运动性能起到优化作用,且总体优化效果相接近。