2024中国可再生能源大会：浮台运动工况下15MW级风力机气弹响应特性分

作者：周乐，沈昕，杜朝辉研究背景研究背景2录2录研究方法与对象结果与讨论结果与讨论4总结与展望4总结与展望研究背景研究背景：风能产业发展趋势4/2362m117m课题背景：大型浮式风力机风的运行特点 大型浮式风力机的运行特点：1.浮台运动和叶片形变相互叠加，使得风力机的气弹耦合特性更加2.下一代的15MW级以上风电叶片长度突破百米，叶片大幅度非线研究现状：风力机气弹耦合模型6/23气动模型结构模型通过求解NS方程，获得流体域的详细流动参数及风力机的气动特性。计算精度较高，但计算效率低。通过结合动量理论及叶素理论求解风力机的气动特性。计算效率高，但无法考虑风轮尾迹的真实外形。通过求解涡动量方程结合Biot-Savart定律求解风力机气动特性。计算效率较高，考虑了尾迹的外形，但对尾流粘性做了简化。基于结构动力学模型及有限元理论，求解叶片的形变特征。计算精度较高，但计算将叶片划分成由虚拟连接副连接的有限段，基于多体动力学方程求解叶片的变形特征。将叶片视为悬臂梁，通过求解梁运动方程及求解叶片的形变特征。可以实现不同程l结构模型：能够考虑大型复材叶片大幅度非线研究现状：浮式风力机的气动/气弹耦合特性气动研究气弹研究采用CFD方法研究了浮式风力气动研究气弹研究采用CFD方法研究了浮式风力机的非定常气动特性。Tranetal(2016)采用涡尾迹方法研究了浮式风力机的功率系数过冲问题。Wenetal(2018)采用CFD方法研究了浮式风力采用CFD方法研究了浮式风力机纵荡过程中的涡环及螺旋桨采用BEM-欧拉伯努利梁模型研究了浮台的纵荡及纵摇运动对叶片变形及其载荷的影响。采用CFD-MBD方法研究了纵荡过程中浮式风力机的功率及l关于浮式风力机气弹的研究还多局限于基本气动特性和叶片形变特性。1.TranTT,KimD-H.ACFDstudyintotheinfluenceofunsteadyaerodynamicinterferenceonwindturbinesurgemotion[J].RenewableEnergy,2016,90:204-228.2.WenB,TianX,DongX,etal.Onthepowercoefficientovershootofanoffshorefloatingwindturbineinsurgeoscillations[J].WINDENERGY,2018,21(11):1076-1091.3.KyleR,LeeYC,FrühW-G.Propellerandvortexringstateforfloatingoffshorewindturbinesduringsurge[J].RenewableEnergy,2020,155:645-657.4.FuS,LiZ,ZhuW,etal.Studyonaerodynamicperformanceandwakecharacteristicsofafloatingoffshorewindturbineunderpitchmotion[J].RenewableEnergy,2023,205:317-325.5.LiuY,XiaoQ,IncecikA,etal.Aeroelasticanalysisofafloatingoffshorewindturbineinplatform-inducedsurgemotionusingafullycoupledCFD-MBDmethod[J].Windenergy,2019,22(1):1-20.6.Kim,Kwon.EffectofPlatformMotiononAerodynamicPerformanceandAeroelasticBehaviorofFloatingOffshoreWindTurbineBlades[J].Energies,2019,12(13).研究方法与对象研究方法：升力线自由尾迹模型&几何精确梁模型9/23i+2i+1i+2i+1rBoundvortexrBoundvortexLagrangianmarkersr(Ψ,ζ)ζControlpointzr2r1Inducedvelocityxh将叶片沿展向划分为若干段，在每一段设置附着涡段来代替ζControlpointzr2r1Inducedvelocityxhi+NTipvortexrΩi+NTipvortexrΩ▲ShedTrailingvortex▲ShedTrailingvortexvortexRootvortex=V0Velast+w,free+ΓllRootvortexCurvedvortexfilamentStraightlinevortexapproximationCurvedvortexfilament升力线自由尾迹模型原理图升力线自由尾迹模型原理图风力机动态尾迹示意图摆振变形IEA-15MW风力机基本参数风轮直径风力机转速浮式风力机纵荡运动浮式风力机六自由度运VV纵荡过程中风力机位移及入流速度随纵荡相位角的结果与讨论风轮入流速度随纵荡相位的变化风轮功率因纵荡而发生波动，且相较于刚性叶片，柔性叶片功率有所下降；180°和360°相位处功率的变化变化存在延迟；延迟在90°和270°相位同样有所体现；叶片柔性会加剧相位延迟现象。（1）刚性叶片-固定工况（2）刚性叶片-纵荡工况（3）柔性叶片-固定工况（4）柔性叶片-纵荡工况浮台的运动进一步加剧了各叶片间载荷的差异的，载荷波动的相位及幅值均出现差异，结果与讨论：3.2纵荡过程中风力机叶片形变特性纵荡工况下风力机叶片的形变波动幅度进一步纵荡工况下风力机叶片的形变波动幅度进一步挥舞形变主要纵荡频率摆振变形同时受纵荡和风轮旋转频率（重力作扭转变形除了上述频率外，还出现了纵荡和风轮旋转两种的频率的干涉频率。挥舞形变摆振形变扭转形变挥舞形变摆振形变扭转形变结果与讨论：3.2纵荡过程中风力机叶片形变特性的几何造型，产生弯扭耦合效应影响攻结果与讨论：3.3纵荡过程中的风轮尾迹特性纵荡工况风力机刚性叶片尾迹轮廓纵荡工况风力机刚性叶片尾迹波动频域特性纵荡工况风力机刚性叶片尾迹轮廓纵荡工况风力机刚性叶片尾迹波动频域特性在纵荡工况下，风轮入流速度的波动会使风轮尾迹发生明显的畸变；在考虑叶片形变后，由于风风轮载荷降低，风轮的畸变对于刚性风轮，尾迹的畸变主要由浮台的运动导致，而对于柔性风轮，叶片的形变也会影响尾迹的发展。纵荡工况风力机柔性叶片尾迹轮廓纵荡工况风非定常工况下风轮的尾迹时刻处于动态发展之中，而当前时刻风轮平面处的诱导速度受历史尾迹的影响，从而产生一定的延迟。非定常工况下所产生的脱落涡以及翼型表面边界层的分离和再附着在对翼型气动力产生影响的过程中所导致的滞后，即迟滞环现象。在一定的滞后，且相位滞后的角度从叶在考虑叶片柔性后，风力机载荷响应的滞后主要来自叶片的形变，且相位滞后不同推力延迟延迟角度下风力机-浮台系统气动功变0-结果与讨论：3.5纵荡频率和幅值影响在高风速点靠近叶根处的截面会进入失速状态，而在低风速点叶片大部分截面会进入负风力机会在高风速点进入失速状态，在低风结果与讨论：3.5纵荡频率和幅值影响V在不考虑叶片柔性情况下，折合频率