基于非線性波模型的近海風(fēng)力機(jī)流固耦合分析.pdf

1、海上風(fēng)力機(jī)一般安裝在近海域，水深較淺，在淺水區(qū)由于海底摩擦等因素的影響，波浪水動(dòng)力特性一般呈現(xiàn)非線性。機(jī)組同時(shí)承受空氣動(dòng)力、水動(dòng)力和重力等機(jī)械載荷的耦合作用，其流固耦合響應(yīng)特性及其疲勞載荷譜的分析近海風(fēng)力機(jī)技術(shù)研究領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。本文在研究較淺水域非線性水動(dòng)力特性的同時(shí)，基于計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論，并結(jié)合海上風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)模塊和波浪模塊建立了海上風(fēng)力機(jī)的多物理場(chǎng)耦合方程，采用高效的數(shù)值仿真模擬得出了風(fēng)力機(jī)在多種工況下的動(dòng)力響應(yīng)。研究分析的

2、結(jié)果具有較重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　文中通過線性波理論拓展得到非線性波（二階波）模型，并應(yīng)用非線性波浪理論來模擬在淺水區(qū)的波浪。為了探明不同平均水深對(duì)水動(dòng)力特性的影響，分別通過線性和非線性波模型數(shù)值模擬了不同水深的波浪水動(dòng)力特性（包括水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度）及其演化過程。應(yīng)用 morison波浪力方程建立支撐結(jié)構(gòu)受到的波浪載荷的計(jì)算公式，得到了圓筒支撐結(jié)構(gòu)的波浪載荷。
　　采用修正的葉素動(dòng)量理論來分析作用在風(fēng)輪葉片上

3、的空氣動(dòng)力載荷；而作用在圓柱形塔筒上的氣動(dòng)載荷則是依據(jù)風(fēng)速廓線法，通過分析塔筒高度與風(fēng)速之間的關(guān)系，結(jié)合塔筒的繞流規(guī)律，得到了塔筒水平面以上部分受到的氣動(dòng)載荷。從而分析海上風(fēng)力機(jī)在波浪載荷和氣動(dòng)載荷聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)。
　　文中以NREL的5MW近海風(fēng)力機(jī)模型為研究對(duì)象，將整機(jī)系統(tǒng)分為剛?cè)峄旌舷到y(tǒng)，采用超級(jí)單元法將海上風(fēng)力機(jī)離散為51個(gè)剛體、78自由度的系統(tǒng)。應(yīng)用多體動(dòng)力學(xué)理論和混合多體系統(tǒng)建模方法，建立了受約束的海上風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)