風(fēng)浪聯(lián)合作用下近海風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析

發(fā)布時(shí)間：2020-04-02 12:20

【摘要】：隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展,有關(guān)風(fēng)力機(jī)技術(shù)的研究也日趨進(jìn)步,近年來近海風(fēng)能的開發(fā)利用也進(jìn)入了一個(gè)新階段,但海上風(fēng)力機(jī)所處環(huán)境十分復(fù)雜,故對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的合理性也提出了更高的要求。本文以美國(guó)NREL研究中心1.5MW風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為建模依據(jù),基于風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)理論和水動(dòng)力學(xué)理論,在實(shí)際運(yùn)行工況下,進(jìn)行了海上風(fēng)力機(jī)整機(jī)建模及在兩種主要外界載荷共同作用下的數(shù)值仿真研究,針對(duì)海上風(fēng)場(chǎng)、波浪場(chǎng)的流動(dòng)特性,采用UDF編程以及數(shù)值造波方法的聯(lián)合使用,完成了實(shí)際海況的模擬,并使用有限元計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)了多載荷的流場(chǎng)計(jì)算,仿真計(jì)算結(jié)果獲得了風(fēng)力機(jī)外流場(chǎng)的流動(dòng)特征、固體域表面的風(fēng)壓特點(diǎn)、風(fēng)力機(jī)整機(jī)的變形和受力情況。通過Solidworks完成對(duì)基準(zhǔn)面的選擇、翼型文件的導(dǎo)出、葉片扭轉(zhuǎn)角的繪制等過程后,實(shí)現(xiàn)了近海風(fēng)力機(jī)各個(gè)主要部分模型的建立以及整機(jī)的裝配;在進(jìn)行風(fēng)力機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析之前,先完成了對(duì)主要部分—塔架和樁基礎(chǔ)耦合結(jié)構(gòu)的固有特性分析,得出了該耦合系統(tǒng)的自振頻率,并根據(jù)Campbell圖判斷其是否會(huì)在外界激勵(lì)條件下發(fā)生共振,得出了該風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)的臨界轉(zhuǎn)速和運(yùn)行的安全區(qū)。同時(shí),對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的自振特性也做了分析,得出其低階模態(tài)振型圖和低階自振頻率;為了得到更接近真實(shí)海況的仿真結(jié)果,使用CFD軟件實(shí)現(xiàn)了風(fēng)浪聯(lián)合仿真,利用VOF方法對(duì)自由水面進(jìn)行追蹤,完成三維狀態(tài)的二階Stokes波浪的構(gòu)造,實(shí)現(xiàn)了波浪場(chǎng)的仿真,通過控制邊界條件,利用UDF對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行二次開發(fā),得到了海平面兩相流的相位結(jié)果,并分析了波面形狀對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響,得到了風(fēng)載荷和波浪載荷同時(shí)作用下的流場(chǎng)結(jié)果;利用Ansys workbench建立流場(chǎng)計(jì)算與固體域體系的耦合求解過程,完成了風(fēng)、浪載荷和風(fēng)力機(jī)整機(jī)的流固耦合仿真過程。對(duì)風(fēng)力機(jī)表面由風(fēng)浪作用引起的結(jié)構(gòu)變形情況,包括處于海水中的樁基和處在風(fēng)場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)總位移和各個(gè)方向上的分位移的數(shù)據(jù)進(jìn)行了輸出,并對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)律做了進(jìn)一步研究,結(jié)果證明風(fēng)力機(jī)位于海平面不同高度處的應(yīng)力分布和風(fēng)壓極值出現(xiàn)的位置呈現(xiàn)一定的規(guī)律性,該分析研究對(duì)于未來海上風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。
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