海上浮式风力机系统环境载荷及耦合运动性能的研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学博士学位论文海上浮式风力机系统环境载荷及耦合运动性能研究博士研究生：叶小嵘指导教师：张亮教授学位级别：工学博士学科、专业：流体力学所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2012年月日论文答辩日期：2012年月日学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofD.EngStudyonEnvironmentalLoadsandCoupledMotionResponseofFloatingOffshoreWindTurbineSystemCandidate:YeXiao

2、rongSupervisor:Prof.ZhangLiangAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:FluidMechanicsDateofSubmission:DateofOralExamination:University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体

3、已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为

4、哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日海上浮式风力机系统环境载荷及耦合运动性能研究摘要海洋风资源具有风速高、稳定的主导方向及能量收益高等优势。目前，世界上已建成的海上风电场因安装于近海水域，水深较浅，因而采用固定基础作为风力机支撑结构。但近海风资源能量相对深海风能资源而言，能量相对较小且开发区域有限，因而海上浮式风电场建设逐渐成为了海上风电场发展的新方向，海上浮式风力机也成为了国际研究热点。因此，本文以海上浮式风

5、力机系统为研究对象，以空气动力学、水动力学等为理论基础，采用理论推导、数值模拟及模型试验三者相结合的方法，对海上浮式风力机系统的环境载荷及运动耦合问题开展了研究。这对全面深入地掌握海上浮式风力机系统的耦合机理、现象和规律具有重要的指导意义，也为海上浮式风力机系统的总体设计和系统性能分析奠定理论与技术基础。风力机气动性能研究方面，首先概述了水平轴变桨矩风力机的气动性能特点。然后基于湍流风谱模型描述了海上风电场的湍流特性，采用谐波合成法模拟了海上风电场的湍流风速；基于经典动量叶素理论和动态失速修正、动态尾流模型等计算了定常来流风速与非定常来流风速下的水平轴风力机的气动性能，

6、并且采用PID控制技术对叶片的变速变桨过程进行了仿真。最后将湍流风速模拟、动量叶素理论及修正和控制系统仿真相结合，开发了水平轴变桨矩风力机定常与非定常气动性能（包括功率、载荷等参数）的数值计算程序，并以美国可再生能源实验室提出的5MW风力机为算例，对气动性能进行了模拟，模拟结果与Bladed软件吻合较好，验证了本文计算程序的可靠性。SPAR水动力性能研究方面，首先采用细长体理论预报了SPAR平台的波浪载荷，考虑了非线性波浪载荷对SPAR的影响，并且每个时间步的波浪载荷都是基于瞬时位置而得到的，然后建立了海上浮式风力机系统时域耦合的非线性运动方程，形成了SPAR浮式平台运

7、动响应的时域预报方法，并以支撑5MW风力机的SPAR式风力机平台为算例，求解了SPAR在规则波和不规则波中的运动响应性能。风力机-浮式平台-锚泊系统耦合研究方面，主要研究内容与结果如下：1）首先阐释了浮式平台的运动响应对水平轴风力机的作用规律，分析了浮式平台对风轮载荷、功率等参数的影响规律。分析了波浪诱导的水平轴风力机的气动阻尼对浮式平台运动响应的影响规律。2）将锚泊系统简化为水平和垂直方向的非线性弹簧来模拟锚泊载荷，弹簧刚度由锚泊系统的静力分析得到。然后，综合风力机气动性能预报程序、浮式平台水动力性能I哈尔滨工程大学博士学位论文预报程序