海上风力机气动与水动流场数值模拟

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1、上海交通大学硕士学位论文海上风力机气动与水动流场数值模拟摘要随着能源危机和环境危机的出现，世界各国都在努力开发清洁可再生的新能源。在众多新能源形式中，风能是目前最具大规模开发前景，也是技术最为成熟的新能源。特别是海上风能近些年来的迅猛发展，其独特的优势使其成为未来风电领域发展的重要方向之一。本硕士论文以海上风力机研究为大背景，立足船舶与海洋工程自身学科优势，以多学科交叉，“先部分后整体”为基本学术思想，主要基于面向对象的(Object-Oriented)C++架构的开源计算流体力学类库OpenFOAM及在其基础上开发的naoe-FOAM-SJTU求解器，利用数值模拟的方法

2、对风力机的空气动力学性能，海上风力机基座的水动力性能，海上风力机整体耦合分析及浮式风力机水动力特性等进行深入系统的研究，并力求在学科交叉中实现创新。具体内容归纳如下：1.基于三维Navier-Stokes方程及k-ωSST湍流模式，分别采用多重参考系方法和滑移网格方法对美国可再生能源PhaseVI风力机进行了三维气动性能和绕流场的数值模拟，分别研究了不同风速，两叶片和三叶片等不同叶片数风轮对风力机轴向推力、扭矩和绕流场的影响，并在此基础上进一步研究了风力机塔架与叶片的相互作用，大气边界层对风力机气动性能影响及上风向风力机和下风向风力机对比研究等内容。2.选取亚洲首座海上风

3、电场——上海东海大桥海上风电场基座为研究对象，利用naoe-FOAM-SJTU求解器模拟了群桩式高桩承台结构与波浪相互作用过程，分别考虑了规则波和代表极限状况的孤立波I万方数据上海交通大学硕士学位论文两种工况，并研究了基座整体、单根桩柱的受力，波浪爬高，承台上浪，承台周围局部流场等流场信息。计算结果可以为基座的设计提供一些定性和定量参考。为了使目前的研究框架更为完整，论文在本章最后还基于naoe-FOAM-SJTU求解器尝试性地对OC4项目的海上浮式风力机的水动力特性进行了模拟和分析，主要研究了风力机浮式平台的受力，运动响应和平台周围流场等。3.在naoe-FOAM-SJ

4、TU求解器的基础上，编写了新的求解器OWT-FOAM-SJTU，该求解器可以同时模拟风、浪、流共同作用的工况，在此基础上将多重参考系方法嵌入了该求解器。至此可以使用该求解器对海上固定式风力机的气动特性和水动特性进行全尺度的耦合时历分析。鉴于多重参考系嵌入的计算成本太高，作者又尝试使用制动线理论嵌入naoe-FOAM-SJTU求解器，二次开发后的程序计算结果真实可信。关键词：海上风力机，气动力，水动力，OpenFOAM，naoe-FOAM-SJTUII万方数据上海交通大学硕士学位论文NUMERICALSIMULATIONOFAERODYNAMICANDHYDRODYNAMI

5、CFLOWFIELDSAROUNDOFFSHOREWINDTURBINEABSTRACTAstheenergycrisisandenvironmentcrisisemerge,almosteverycountriesstrivetosearchanddeveloptherecycle,renewableandcleanenergy.Amongallkindsofnewenergy,windenergyisthemostpromissingcommercialprospectandthemostmaturetechnology.Inparticular,thedevelop

6、mentofoffshorewindenergy,becauseofitsspecialandstrongadvantages,hasbeenoneofthemostimportantdirectionsofwindenergy.Thispaperispreparedagainstthebackgroupofoffshorewindtechnology,basedontheadvantagesofnavalarchitectureandoceanengineering,aswellasthefundamentalacademicideasistheinteractions

7、ofdifferentsubjectsandseparatebeforecombine.AllthecomputationsarebasedontheopensourcesoftwareOpenFOAMwrittenwithobject-orientedC++languageandthenaoe-FOAM-SJTUsolverdevelopedbyourgroup.Theaerodynamics,hydrodynamicsandcoupledmutualinteractionbetweenaerodynamicsandhydr