【摘要】：隨著全球氣候惡化、環(huán)境污染及常規(guī)能源短缺問題的日趨嚴(yán)峻,世界各國都在努力尋求清潔可再生的替代能源。風(fēng)能作為新能源領(lǐng)域中技術(shù)最為成熟和最具大規(guī)模商業(yè)開發(fā)前景的清潔可再生能源,受到了世界各國的廣泛關(guān)注。特別是在海上風(fēng)能開發(fā)領(lǐng)域,其以風(fēng)速高、湍流強度小、受噪音標(biāo)準(zhǔn)限制小、節(jié)約土地資源等優(yōu)點,成為未來風(fēng)能大開發(fā)的重要研究方向。 本文以海上風(fēng)能開發(fā)為大背景,順應(yīng)其發(fā)展趨勢,針對其中的近海風(fēng)資源評估、大型海上風(fēng)力機二維翼型及三維葉片的氣動性能分析、海上風(fēng)力機的船舶碰撞、未來深水浮式系統(tǒng)研究等問題,采用數(shù)值模擬與理論分析、場地觀測與模型試驗相結(jié)合的方法進行了較為系統(tǒng)的研究,具體研究內(nèi)容歸納如下: 1針對目前氣象測站分布數(shù)量有限及沿海測站尤為稀少的現(xiàn)狀,結(jié)合美國國家環(huán)境預(yù)報中心的再分析資料、美國地質(zhì)調(diào)查局的高分辨率地形植被資料及大連地區(qū)4個主要氣象站30年的觀測資料,利用中尺度MM5氣象模式系統(tǒng)對大連及其近海地區(qū)的風(fēng)場進行了一整年(2000年)的較為系統(tǒng)的高分辨率數(shù)值模擬,定性及定量地得到了該地區(qū)不同高度處的年平均風(fēng)速、年有效風(fēng)能小時數(shù)、年有效風(fēng)能功率等重要風(fēng)資源信息。 2基于二維Navier-Stokes方程及k-? SST湍流模型對大型海上風(fēng)力機的主流二維翼型的氣動性能進行了數(shù)值模擬�？紤]大入射攻角的動力失速效應(yīng),嘗試通過對湍流模型內(nèi)部的關(guān)鍵參數(shù)進行適當(dāng)修正,來改善數(shù)值模擬結(jié)果�？紤]葉片表面灰塵沉積效應(yīng),分別模擬分析不同表面粗糙面積、不同粗糙位置、不同粗糙度當(dāng)量大小對翼型升阻力系數(shù)的影響,深入剖析了表面粗糙度對翼型氣動性能的作用機理�？紤]葉片與塔架二維及三維流場的干涉效應(yīng),并對作用在塔架上的氣動力波動情況進行了較為清晰的闡明。結(jié)合實測臺風(fēng)數(shù)據(jù),基于動力學(xué)Newmark-?方法編寫嵌入式CFD求解程序并結(jié)合滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬翼型與周圍流場的非線性耦合作用,分別研究臺風(fēng)作用下翼型豎向單自由度振動、扭轉(zhuǎn)單自由度振動及二者耦合振動三種情況下的非線性氣彈響應(yīng)。 3基于三維Navier-Stocks方程和適用于旋轉(zhuǎn)流場分析的RNG k-?湍流模型,采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對美國可再生能源實驗室的5MW海上風(fēng)力機葉片進行三維氣動性能的數(shù)值模擬,分別研究了不同入射風(fēng)速及不同風(fēng)輪轉(zhuǎn)速對風(fēng)力機輸出功率的影響,并在此基礎(chǔ)上進一步研究了大型海上風(fēng)力機尾跡區(qū)域的風(fēng)場特征。 4選取典型3MW單樁基礎(chǔ)海上風(fēng)力機及2000t級船體的簡化模型,利用廣泛應(yīng)用于碰撞分析的LS-DYNA大型有限元軟件模擬海上風(fēng)力機塔架遭受船體碰撞的整個動力破壞過程。此外,基于犧牲非主體結(jié)構(gòu)形變耗能來保護海上風(fēng)力機整體結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計思想,概念性地提出一種適合于海上風(fēng)力機這種特殊結(jié)構(gòu)形式的鋼質(zhì)球殼與泡沫鋁隔墊層結(jié)合式新型防撞裝置,并分別從理論分析和數(shù)值模擬的角度驗證了此種新型裝置的良好防護性能。 5基于美國可再生能源實驗室5MW海上風(fēng)力機模型,概念性地提出了兩種新型張力腿-錨纜結(jié)合式海上浮式風(fēng)力機系統(tǒng)。綜合考慮頂部風(fēng)機、支撐結(jié)構(gòu)和下部系泊系統(tǒng)的動力耦合作用,分別對海上風(fēng)力機單體浮式系統(tǒng)和多體浮式系統(tǒng)進行風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下的時域分析。此外,特別針對風(fēng)力機單體浮式系統(tǒng),利用哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進的風(fēng)洞浪槽聯(lián)合實驗室,對其進行1:60縮尺模型的典型工況測試,并將主要測試結(jié)果與對應(yīng)純張力腿模型的測試結(jié)果進行了較為系統(tǒng)的對比分析。分別從理論分析、數(shù)值模擬及縮尺模型試驗的角度驗證了新型張力腿-錨纜結(jié)合式系泊系統(tǒng)的良好性能。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TK83
【圖文】：

我國風(fēng)能資源非常豐富，陸上可開發(fā)風(fēng)能約有 2.53 億千瓦，其年平均風(fēng)速分布概況如圖 1-3所示。圖1-3 我國年平均風(fēng)速分布Fig.1-3 The distribution of annual mean wind speed in China從 80 年代后期開始，我國逐步在海南、遼寧、新疆、甘肅等地區(qū)興建了第一批陸上風(fēng)電場。此后，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步發(fā)展。隨著 2005 年 2 月 16 日《京都議定書》的正式生效，我國更加堅定控制溫室氣體排放，走可持續(xù)發(fā)展道路的決心。近幾年來，全國風(fēng)電總裝機容量一直保持強勁發(fā)展勢頭，從2005 年的 1.27GW 迅速增長到 2010 年的 25GW，實現(xiàn)了連續(xù) 4 年翻番增長的奇跡。截止到 2010 年初，全國已有 25 個省份、直轄市、自治區(qū)具有風(fēng)電裝機。隨著大型海上風(fēng)電場在歐洲的迅速發(fā)展，我國也將海上風(fēng)能開發(fā)列為未來風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向[2-4]。我國海上風(fēng)能資源非常豐富

如圖 1-5所示。圖1-5 截面翼型入射攻角示意圖[23]Fig.1-5 The construction of airfoil’s angle of attack[24]其中，計算誘導(dǎo)速度分量的公式可以表達為：z0cosW4 ( )gBLrF V f n n W （1-1）y0sinW4 ( )gBLrF V f n n W （1-2）式中 B——葉片數(shù)量L——升力系數(shù) ——風(fēng)向入射角 ——空氣密度n——旋轉(zhuǎn)平面法量fg——Glauer 修正參數(shù)在考慮三維葉尖漩渦效應(yīng)時，Prandtl 對二維翼型氣動性能數(shù)據(jù)進行了葉尖損失修正，取得了較好的效果。但由于風(fēng)力機葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的存在，葉片表面邊界層的流動受科氏力和向心力影響較大，特別是在湍流失速區(qū)的流動。因此，Snel[24]和 Chaviaropoulos[25]對二維翼型數(shù)據(jù)進行了進一步的修正，以此來

【參考文獻】

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本文編號：2717564