海上风能/潮流能互补发电浮式基础载荷与运动响应研究

This topic is mainly study on the force load calculation and motion response for a semi-submersible offshore wind energy and tidal current energy complementary power generation floating foundation by indigenous design. Analyzing the jointed interaction mechanism of wind,wave and current load to semi-submersible floating foundation structure,and calculating wind wave and current load of semi-submersible floating foundation under different sea conditions,to establish the load combination calculation method and prediction model. Based on software SESAM, calculating intact stability of floating foundation (including the initial stability and stability at large angles of inclination), and to obtain its stability characteristics law. Carrying out hydrodynamic calculation of floating foundation based on the three-dimensional potential flow theory and Morison equation. Establishing wind waves and current load motion response model of semi-submersible floating foundation, furthermore combining the sea conditions to make a short-term prediction of the six degrees of freedom motion, and to examine its seakeeping performance. Through physical model experiment, under the joint interaction of wind, wave, current,adopting the non-contact measurement system with six degrees of freedom to obtain the various loads response variables. Finally, integrating numerical results and laboratory experimental results to determine the motion response prediction model of floating foundation in the combined action of multiple types of loading. In this project, research on design of floating foundation of marine structures and hydrodynamic response characteristics has important theoretical guiding significance.

本课题主要是对于自主设计的一种半潜式海上风能/潮流能互补发电浮式基础进行受力载荷计算和运动响应研究。分析风、浪、流荷载对半潜式浮式基础结构的联合作用机理，计算不同海况条件下半潜浮式基础所受的风-浪-流载荷，建立荷载组合计算方法与预测模型； 基于 SESAM 软件，计算浮式基础的完整稳性（包括初稳性、大倾角稳性），得出其稳性特性规律；基于三维势流理论及 Morison 方程对浮式基础进行水动力计算；建立半潜型浮式基础的风－浪－流载荷运动响应模型，并结合海域条件对六个自由度运动做一个短期预报，考查其耐波性能；通过物理模型实验，在风、波浪、海流联合作用下，采用非接触式六自由度测量系统获得各类载荷响应变量；最后综合数值计算和实验室实验结果，确定多类型载荷共同作用下的该新型浮式基础运动响应预测模型。本课题研究对于海洋结构物浮式基础的设计与水动力响应特性具有重要的理论指导意义。

本项目主要是对于自主设计的一种半潜式海上风能/潮流能互补发电浮式基础进行受力载荷计算和运动响应研究。优化了自主设计的半潜型浮式基础的概念设计，确定其主要技术参数，构件尺寸和构型；采集并实测了当地海域的气象数据，研究了半潜型浮式基础的风力荷载、水流荷载、随机波浪荷载的非线性特性，综合分析并计算了半潜浮式基础所受的风-浪-流载荷；其次，对半潜式海上风能/潮流能互补发电系统的水轮机采用数值方法和实验方法分别进行了性能研究。在叶片安装角为-11°时，水轮机压力面与吸力面的压差值相对最大，工作效率越高。在一定的速度范围内，叶片安装角保持不变，叶片表面压力差与来流速度有关，速度越大，压力越大，所以在进行叶片材料选取和安装时，要综合考虑水域水流速度，以提高水轮机的工作效率。再次，对半潜式海上风能/潮流能互补发电系统的风机采用数值方法进行了气动性能研究。风力发电机纵摇时，叶轮的表面压力与功率系数发生明显波动，纵摇的幅度会直接影响风力发电机的电力输出、疲劳程度和使用寿命，因此，在结构设计和电力控制系统设计中需要特别考虑。风力发电机叶轮纵摇时，叶轮所受到的水平推力和弯矩在平衡位置处最大。最后，利用SESAM 软件，基于三维势流理论及 Morison 方程对半潜式海上风能/潮流能互补发电载体的载荷运动响应进行数值计算。研究了风－浪－流载荷对垂荡、纵荡、横荡、横摇、纵摇、艏摇等响应变量的传递函数和响应谱。互补发电装置的传递函数随波浪频率变化的趋势相一致；在六个自由度方向上的运动响应传递函数中，波浪频率范围在0.5rad/s～0.8rad/s之间时都有最大峰值出现，其中横荡、纵荡以及垂荡运动幅值相对较大；6个自由度方向上，其中横荡、纵荡、垂荡三个方向上的波浪力幅值最大；每个自由度方向上都有三个波峰，其中在波浪频率分别为1.0rad/s、1.5rad/s和2.0rad/s时峰值最大。本项目的研究结果对于海洋可再生能源利用中的海洋结构物浮式基础的设计与水动力响应特性研究具有重要的指导与借鉴意义。