以OC3 Hywind Spar基礎浮式風機為研究對象,采用先進的空氣動力-水動力耦合時域分析方法,對其在中國南海某海域風浪流共同作用下的系泊系統(tǒng)、浮式基礎運動以及風機和塔架載荷響應進行分析,對比定常風與湍流風模型對浮式風機系泊系統(tǒng)、整體運動響應以及風機載荷的影響。計算結果表明:相比于湍流風,采用定常風進行浮式風機系泊系統(tǒng)分析將得到偏于危險的結果,并且,浮式風機運動響應與風機載荷結果偏小。因此,建議在系泊系統(tǒng)初始設計階段采用定常風方法進行設計,在系泊分析階段采用湍流風進行分析,以保證浮式風機的長期服役安全。 

【文章來源】：船舶工程. 2018,40(01)北大核心CSCD

【文章頁數】：7 頁

【部分圖文】：

OC3Hywind浮式風機示意圖

徑/mm100.0回轉半徑Rxx/m22.8總長/m870.0回轉半徑Ryy/m22.8軸向剛度EA/MN854.0回轉半徑Rzz/m4.5水中重量/(kg·m1)173.0平臺總質量/t8130.0布置角度/(°)0/120/240系泊纜數目3水平跨距/m850.0風機浮式基礎為Spar形式（圖1），直徑9.4m，吃水120m，總排水量8130t。整個浮式風機系統(tǒng)通過系泊系統(tǒng)實現定位，系泊系統(tǒng)為3×1形式，每組系泊纜由單根鏈環(huán)直徑為100mm的單一材質錨鏈組成，長度870m，每組系泊纜相距120°。出于簡便考慮，本文的系泊系統(tǒng)由3根單根單材質系泊纜組成。風機整體坐標系如圖2所示，其坐標系原點位于平臺立柱橫截面平均水面位置，Z方向正向由平均水面指向水面以上。當波浪方向與X軸正向重合時為0°（Inline方向），波浪方向與X軸負向重合時為180°（BetweenLines方向）。圖1OC3Hywind浮式風機示意圖圖2平臺整體坐標系位置及波浪來向定義1.2環(huán)境條件目標海域為中國南海北部某海域，水深200m。具體環(huán)境條件分為4類，即額定風速對應環(huán)境條件、切出風速對應環(huán)境條件、生存工況1和生存工況2。1）當處于額定風速作用下時，風機處于滿發(fā)狀態(tài)，此時風機風輪所受風載荷較大，需要對該環(huán)境條件下的系泊系統(tǒng)響應作出分析。2）當風速達到切出風速時，風機順槳停機，此時，風、浪、流環(huán)境條件大于額定工況，但小于生存工況。3）生存工況1：百年一遇條件下，流速達到最大時對應的風速和波浪環(huán)境條件。由于該浮式平臺為Spar形式，中國南海北部普遍流速較大，因而有必要分析生存條件下流速較大時整體系泊系統(tǒng)的響應情況。4）生存工況2：百年一遇條件下，風速達到最大系泊纜浮式風機0°180°YX

空氣密度；CL和CD為升力和拖曳力系數；φ為入流角；c為葉片單元弦長；W為葉片單元處的氣流相對速度。每個單元長度dr對應的升力和推力系數可以表達為()2LC=L/0.5ρVS（4）()2DC=D/0.5ρVS（5）式中：L為升力；D為拖曳力；S為葉片單元剖面形狀面積；V為葉片單元處的氣流相對速度。2.2頻域水動力分析AQWA是一款三維繞射/輻射水動力計算軟件，本文中采用該軟件計算浮式風機基礎的水動力系數、一階波浪載荷和二階差頻載荷。頻域水動力計算采用低階面源法[7]，浮式基礎面源模型如圖3所示。圖3AQWA水動力計算模型2.3時域全耦合分析平臺全耦合時域計算通過Orcaflex軟件實現[8]，完整的計算模型如圖4所示。在該模型中，系泊纜模型采用三維梁單元計算理論并劃分為合適數量的單元數目。計算中，這些單元不但能夠考慮自身質量、浮力和剛度情況，還可以考慮附加質量和拖曳力系數等水動力載荷。圖4FAST-Orcaflex時域耦合計算模型平臺的流載荷通過建立多段變截面Morison桿來進行計算。平臺的水動力數據由AQWA傳遞而來。為保證計算結果的隨機性，每個工況都進行5個不同波浪種子的模擬。平臺的整體運動和系泊纜響應等結果完全由時域模擬計算得出，最終計算結果為5個波浪種子模擬結果的均值。根據牛頓第二定律，平臺重心處六個自由度的非線性運動方程可以表達為[M+A]x′′(t)+Dx′(t)+Kx(t)=F(t)（6）12wwwindcurrentothersF(t)=f+f+f+f+f（7）式中：M為平臺質量；A為附加質量；x為對應自由度運動位移；t為時域模擬時刻；D為阻尼；K為剛度；F(t)為對應時刻外界載荷；fw1為一階波浪載荷；fw2為二階波浪載荷；fwind為風載荷；fcurrent為流載荷；fothers為其他外部載荷。在時

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Wind-wave induced dynamic response analysis for motions and mooring loads of a spar-type offshore floating wind turbine[J]. 馬鈺,胡志強,肖龍飛.  Journal of Hydrodynamics. 2014(06)



本文編號：3485158