半潜-Spar混合式浮式基础的海上风机动力响应研究

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1、半潜-Spar混合式浮式基础的海上风机动力响应研究ResearchonDynamicResponseofOffshoreWindTurbineSystemBasedonSemisubmersible-SparHybridFloatingFoundation学科专业：船舶与海洋工程作者姓名：韩袁昭指导教师：刘利琴副教授天津大学建筑工程学院二零一七年十二月摘要我国能源主要来自于煤、石油等化石燃料，其大量使用严重影响了我国的环境。而风能具有清洁、总量丰富、技术相对成熟、分布地广等优点，逐渐引起了人们的重视。本文研究海上浮式风力机系统动力特性。结合Spar

2、型和半潜型浮式基础，设计了新型的半潜—Spar混合式海上风机浮式基础，确定了其主要技术参数。基于SESAM软件在频域范围内计算了基础的水动力系数和RAOs，基于FAST软件建模计算了系统在时域和频域内的运动响应。基于FLUENT在静水中通过自由衰减运动，得到了基础纵荡、垂荡和纵摇的线性和非线性阻尼系数。基于凯恩方程建立整个系统的刚柔耦合多体动力学模型，推导了浮式基础、塔柱、机舱以及叶片的广义主动力和广义惯性力，最终得到系统的全耦合动力学方程。以OC4半潜浮式基础为例进行数值求解，将计算结果和FAST对比进行了验证。针对本文设计的新型半潜—Spar混

3、合式海上风机浮式基础，通过求解动力学方程得到风浪联合环境作用下的浮式风机系统基础、塔柱和叶片在时域和频域下的运动响应，分析了不同自由度的动力特性。研究表明，该混合式浮式基础运动性能良好。通过FAST计算可知波浪影响浮式基础运动的极值和标准差而风影响浮式基础运动的平衡位置。在额定风速下系统所受推力最大，风速大于额定风速后变桨矩系统会调整叶片的桨矩角，使风机受到的推力减小，从而减小纵荡和纵摇平衡位置。通过求解动力学方程可知，不规则波相对于规则波，基础运动的极值大于规则波，标准差小于规则波，而均值基本一致。塔柱前后振动的频率成份为波浪频率，运动受波高和波

4、浪周期的影响。叶片振动的频率主要为波浪频率、旋转频率、旋转频率与波浪频率的和差以及多倍的旋转频率。关键词：混合式浮式基础，海上浮式风机，刚柔耦合多体系统，动力响应IABSTRACTTheenergyobtainedbyourcountryismainlyfromfossilfuelssuchascoalandoil,whichhasseriouslyaffectedtheenvironmentofourcountry.Thewindenergyhastheadvantagesofcleaning,richinquantity,relativelym

5、aturetechnology,widedistributionandsoon,andgraduallyattractedpeople'sattention.Thedynamicalcharacteristicoftheoffshorefloatingwindturbineisstudiedinthispaper.BasedonSparandsemisubtypefoundation,anewtypeoffloatingfoundationofsemisub-Sparhybridoffshorewindturbineisdesigned,andit

6、smaintechnicalparametersaredetermined.ThehydrodynamiccoefficientsandRAOsofthefoundationarecalculatedinthefrequencydomainbasedontheSESAMsoftware.ThesystemismodelledandthemotionresponseofthesystemintimedomainandfrequencydomainiscalculatedbasedonFASTsoftware.BasedonFLUENTthefreed

7、ecaymotioniscarriedoutinhydrostaticwater,andthelinearandnonlineardampingcoefficientsofthefoundationinsurge,heaveandpitchareobtained.TherigidflexiblecouplingmultibodydynamicsmodelofwholesystemisestablishedbasedontheKaneequation,andthegeneralizedactiveforceandgeneralizedinertial

8、forceoffloatingfoundation,tower,nacelleandbladearederivated,f