风载作用下浮式风电系统基础平台的水动力性能和概念设计

Wind power generation as a mature technology has been concerned increasingly, and floating offshore wind turbines which are suitable for more than 50 meters offshore waters are the development direction of future offshore wind power. Focusing on the hydrodynamic characteristics of floating foundation, this project will start with the coupling dynamic analysis of the offshore wind turbine system. Combining with panel method, a sort of numerical simulation technology, the method of mechanical analysis such as dimensional analysis, asymptotic analysis will be adopted in the research. Based on these studies, the mechanism of the aerodynamic load on the wind turbine and Hydrodynamic Loads on the floating foundation will be revealed. The three crucial issues: the hydrodynamic characteristics of the floating foundation under the wind load of the upper wind turbine; the impact on floating foundation platform by scale effect, changes in shape and higher-order nonlinear hydrodynamic loads; the dynamic response of the offshore wind turbine system on the condition of extreme wind-wave environment will be analyzed in this process. Then, the core difference between the floating wind turbine platform and the traditional deepwater oil and gas platform will be unraveled. Finally, a set of theory analysis method and which are suitable for floating wind turbine system in offshore waters will be established, and design principles for a new concept floating foundation will be present.

风力发电作为一项成熟的风能利用技术越来越受到重视，超过50米水深的近海深水海域的漂浮式海上风力机（浮式风机）是未来海上风电的发展方向。本项目以浮式基础的水动力特性为切入点，从整体浮式风机系统的耦合分析出发，运用量纲分析、渐近求解等力学分析手段，结合面元法等数值模拟技术，开展上部风电机的气动载荷和下部基础平台的水动力载荷耦合机理研究。探讨在上部风力机受风载作用下，下部浮式基础水动力特性的变化规律；基础平台的尺度效应、形状变化以及波流场高阶非线性特性等对浮式基础平台的影响；极端风浪环境条件下风机系统的动力响应三个关键科学问题，回答浮式风电系统基础平台区别于传统深水油气平台的关键所在，建立一套适用于近海深水浮式风电系统的理论分析方法和数值模拟技术，并提出浮式基础新概念设计选型的依据。

本课题围绕海上风电场，针对实际工程前期设计和后期运营遇到的难点，在海上风电场短期风速预报、热带气旋极值风速估计、风浪联合作用下风力机系统整机动力响应以及漂浮式风力机系统初步概念设计四个方面开展了相关工作。.多尺度海洋风环境预报：开展了海上风电场短期风速预报和长期极值风速估计工作。基于时间序列分析方法，针对东海大桥风电场，通过分析实测风速数据，指出其短期风速序列的内在特性。在此基础上，定量对比了不同时间序列模型的预报精度，提出了适用于东海大桥风电场的短期风速预报模型。通过分析西北太平洋以及东海海域热带气旋活动的历史变化趋势以及空间分布规律，发现其在时间上呈现非平稳特性，在空间上呈现非均匀特性。进而采用非平稳极值风速预报理论，给出了东海海域及其子区域在不同重现期下的极值风速。.漂浮式风力机系统动力响应：建立了漂浮式风力机系统全尺度动力学响应的计算力学模型。针对各类风浪联合作用下的海洋环境，重点关注来流风向与波浪主方向存在夹角时的复杂海况，计算了典型立柱式风力机系统六个运动模态（纵荡、纵摇、横荡、横摇、垂荡、艏摇）的动力响应，揭示了在风波夹角变化的情况下，立柱式风力机的动力响应在时域内的变化规律和频域内响应功率谱的分布情况。.浮式风力机系统初步概念设计：研究分析了立柱式与半潜式典型浮式支撑基础的风力机系统的整体动力响应。对比了两类浮式风力机系统动力响应的特点，提出了一种新型漂浮式支撑基础的概念设计；研究了系统纵摇、纵荡、升沉运动模态的动力响应随结构主要参数变化规律。为进一步开发其他新型浮式支撑结构提供参考。