10 平台六自由度运动对漂浮式风机尾流影响的数值研究-周恬.pdf

1、汇报人：周恬汇报人：周恬 河海大学河海大学2024.08.172024.08.17目录CONTENTS研究背景研究背景模型介绍模型介绍结果分析结果分析结论结论1234234研 究 背 景1研究背景研究背景全球风能理事会对各国漂浮式海上风电新增装机容量预测（单位：全球风能理事会对各国漂浮式海上风电新增装机容量预测（单位：MWMW）据全球风能理事会预测，到2030年全球漂浮式海上风电装机容量可达16.5GW，其中仅有7.1%或1.2GW在2025年以前完成建设，其他的大部分装机将在2026年以后投运。目前，漂浮式海上风电在全球风电总装机容量中的占比仅为0.1%，但在未来10年间会发挥越来越重要的作

2、用，到2030年将占全球新增风电装机总量的6.1%。1 1 研究背景研究背景研究背景研究背景中国计划至20272027年年建设全球首个建设全球首个1 1吉瓦吉瓦的漂浮式海上风电场的漂浮式海上风电场。第一阶段计划在海南省万宁市海南省万宁市附近选址，于20222022年年完成了可行完成了可行性研究性研究。需要对漂浮式风机在需要对漂浮式风机在各种运动响应各种运动响应下的尾流演变规律下的尾流演变规律进行深入研究进行深入研究与固定式风机相比，海上漂浮式风机不仅面临更加复杂的面临更加复杂的海洋气海洋气象水文环境象水文环境，而且浮式平台独特的浮式平台独特的非线性运动响应非线性运动响应会使得风机尾流的预测变得

3、更加困难。1 1 研究背景研究背景研究目的研究目的 本文基于本文基于大涡模拟大涡模拟的数值框架，改进传统风机致动线模型以纳入平台运动所的数值框架，改进传统风机致动线模型以纳入平台运动所附加的速度修正附加的速度修正，探，探究了漂浮式风机在究了漂浮式风机在纵摇纵摇、横摇横摇、艏摇艏摇、纵荡纵荡、横荡横荡和和垂荡垂荡六自由度六自由度解耦解耦运动工况下的尾流涡演变运动工况下的尾流涡演变与速度损失分布规律，并探讨了致动线方法应用于漂浮式风机性能与尾流预测研究的与速度损失分布规律，并探讨了致动线方法应用于漂浮式风机性能与尾流预测研究的可行性可行性。1 1 研究背景研究背景研究思路模 型 介 绍2大涡模型大

4、涡模型大涡模拟（大涡模拟（LES）核心思想是对大涡进行非模化的跟踪对大涡进行非模化的跟踪，将将小涡模化处理小涡模化处理。采用滤波尺度滤波尺度进行空间滤波进行空间滤波后后，其大尺度涡的运动满足大尺度涡的运动满足Navier-Stokes 方程方程，具体形式如下：+=233100,+?0+10=0时间项时间项对流项对流项修正压力梯度项修正压力梯度项应力项应力项浮力项浮力项 科氏力项科氏力项 压力梯度驱动项压力梯度驱动项 源项源项亚格子应力项通过亚格子应力项通过Smargorinsky（SGS）涡粘模型涡粘模型进行求解闭合进行求解闭合：2 2 模型介绍模型介绍致动线模型致动线模型致动线模型致动线模型

5、通过带有带有体积力的体积力的虚拟线条虚拟线条代替风力机叶片代替风力机叶片，以模拟叶片与周围流场空气动力学之间的相互作叶片与周围流场空气动力学之间的相互作用用。基于叶素动量理论叶素动量理论可计算风机致动线上各致动点处的风机致动线上各致动点处的升阻力升阻力为：为了避免数值结果中的奇异性问题奇异性问题，需要通过三维正三维正则化核函数则化核函数将体积力平滑地投影在计算域中将体积力平滑地投影在计算域中：传统致动线模型无法考虑浮式平台运动所引起的风机无法考虑浮式平台运动所引起的风机位置变换位置变换和和附加风速修正附加风速修正，因此，本文对非定常致动线模型进行了改进，以适用于后续的浮式平台六自由度运动工况。

6、致动线理论示意图2 2 模型介绍模型介绍致动线模型运动修正致动线模型运动修正010203风机位置坐标修正：风机位置坐标修正：=sin 2 sin 2 体积力作用域修正：体积力作用域修正：=+lg 1.00.001 平台相对速度修正：平台相对速度修正：=2cos 2 2 2 模型介绍模型介绍数值模型介绍数值模型介绍计算域示意图工况序号工况序号1 12 23 34 45 56 67 7运动响应运动响应固定纵摇横摇艏摇纵荡横荡垂荡幅度幅度4448 m8 m8 m频率频率0.1 Hz0.1 Hz0.1 Hz0.05 Hz0.05 Hz0.05 Hz计算域与边界条件：工况设计：数值计算工况表均选取为海均