【摘 要】
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近年来,随着风力机大型化、深海化的发展趋势,以Spar式浮式风力机代表的海上浮式风力机备受研究者的青睐。不同于固定基础式风力机,浮式风力机往往处于六个自由度的运动中,且受到气动力和水动力的耦合影响;相比于海洋工程结构体,浮式风力机结构细长且上部受风面积大,气动-水动的耦合关系更为密切。因此亟需开发适用于浮式风力机的气动-水动耦合模型,对浮式风力机的设计、优化具有重要的意义。本文以NREL 5MW风
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近年来,随着风力机大型化、深海化的发展趋势,以Spar式浮式风力机代表的海上浮式风力机备受研究者的青睐。不同于固定基础式风力机,浮式风力机往往处于六个自由度的运动中,且受到气动力和水动力的耦合影响;相比于海洋工程结构体,浮式风力机结构细长且上部受风面积大,气动-水动的耦合关系更为密切。因此亟需开发适用于浮式风力机的气动-水动耦合模型,对浮式风力机的设计、优化具有重要的意义。本文以NREL 5MW风力机为研究对象,基于升力面自由尾迹模型详细分析了多种自由度运动下浮式风力机的非定常气动特性,并建立了Spar式海上浮式风力机气动-水动耦合模型,研究了风波联合作用下,浮式风力机的运动特性和做功特性。主要工作如下:1.基于拉格朗日第二类方程构建了Spar式海上浮式风力机气动-水动耦合模型;采用升力面自由尾迹模型作为气动预测模型,兼顾了计算精度和效率;基于线性波及改进Morison方程计算浮台的水动力;基于准静态假设计算浮式风力机的系泊力。2.详细分析了横荡、艏摇下浮式风力机的非定常气动特性。研究表明横荡运动下,浮式风力机整体功率及推力均减小,翼型的攻角和有效速度沿方位角的变化相反,导致叶片功率及推力呈现出一定的相位差,blade1的推力持续过载;艏摇运动导致浮式风力机整体功率增大,推力减小,功率的最小值（推力的最大值）接近偏航工况,blade3的功率和推力持续过载。3.评估了畸变的远场尾迹对浮式风力机的诱导作用,畸变尾迹对风轮的平均诱导作用有所削弱,但对于某些叶片的诱导作用反而会增强。4.完成了艏摇与横荡叠加运动下浮式风力机的气动特性分析,研究发现小幅度运动下,浮式风力机性能近似于单自由度运动下浮式风力机性能的线性叠加,但随着运动幅值增大,脱落涡的强度迅速增大,线性特点不再成立。5.分析了浮式风力机静水无风、仅波浪载荷工况下的运动特性,得到了系统六个自由度的固有频率,与FAST软件吻合良好,验证了本文除气动模型外的其余模型。波浪入射角0°下,风力机进行纵荡及纵摇运动,特征频率与波浪频率相同;入射角90°下,进行横荡和横摇运动。6.基于建立的气动-水动耦合模型,完成了风波联合作用下浮式风力机的运动特性及气动特性分析,研究表明相比于仅波浪载荷工况,气动-水动耦合作用下,浮式风力机运动稍有增强,且伴随有明显的艏摇运动。探讨了风波夹角的影响。
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