海上浮式风机系统动力学特性研究

With the development of offshore wind turbines from nearshore to deeper sea, their support structures are changing from fixed types into floating ones. Floating Offshore Wind Turbine (FOWT) is a fully coupled system between wind turbine, support platform and mooring system, and has more complex characteristics of the wind turbine wake, blade aeroelastic instability and other issues, which have not yet well understood. The widely used dynamic analysis tools for FOWT, such as FAST, in which the aerodynamics, hydrodynamics and their coupling are mainly based on simplified models, are not able to accurately catch the real physical features of the fully coupling system in many cases. In this project, we aim to develop multi-level numerical methods for solving the fully coupled dynamic problems of FOWT, and the software with self-owned intellectual property right. Then the newly developed methods will be applied to the analysis of fully coupled dynamic characteristics of FOWT under different sea conditions, to quantify the effects of the motions of platforms on the interaction between turbines and their wakes, gain an insight into the mechanism of aeroelastic instability of wind turbine blades and grasp the dynamic characteristics of FOWT under working and extreme sea conditions. The outputs of the project can provide advanced numerical methods and necessary theoretical knowledge for the development of FOWT in the sea of 30-100m depth in our country.

随着海上风机系统由近岸向深水区域发展，其结构形式也由固定式向漂浮式转变。与固定式风机相比，浮式风机系统特有的风机-支撑平台-系泊全系统耦合动力特性以及风机尾流特性、风机气弹性不稳定性等问题更为复杂。目前浮式风机动力特性的常用分析工具如FAST软件等在气动力学、水动力学和耦合分析上一般采用工程简化模型，难以准确描述风机全系统耦合的真实物理过程。针对这些问题，本项目拟开发分析浮式风机全系统耦合动力特性的多层次计算方法和具有知识产权的软件，并应用于分析不同海况下浮式风机全系统耦合的动力特性，获得浮式风机的尾流与风机自身、下游风机之间的相互作用规律，深入了解浮式风机系统气弹性不稳定性的产生机理，掌握浮式风机系统在工作海况和极限海况下的运动与动力特性，为我国下一步在水深为30-100米海域开发浮式风机系统提供先进的分析手段和必要的理论基础，提高我国在该领域的理论研究水平和设计能力。

为实现国家经济的快速发展和双碳战略目标，海上风能利用由近岸向深水区域发展，其结构形式也由固定式向漂浮式转变。针对漂浮浮式风机带来的一系列问题，重点在漂浮式风机的动力学特性上开展研究。主要针对浮式风机全系统耦合动力特性的多层次计算方法的特点，开发基于激励线模拟叶片气弹性的方法和精细算法模拟叶片气弹性的方法，分别满足高效求解和精细计算的要求，两种方法都优于国际上现有较先进软件（FAST）中的算法。其中气弹耦合的激励线方法在求解漂浮式风机上，其计算效率较常规商业软件可提高10倍以上。其次，基于所开发的多层次全耦合计算方法，揭示浮式风机的尾流与风机自身相互作用规律和机理。再次，利用新的计算方法，揭示浮式风机系统气弹性不稳定性产生的机理，探明支撑平台在不同波浪条件下运动对气弹性不稳定性影响的规律。针对漂浮式风机实验中的气动水动相似难以同时满足的难题，提出改进的叶片构型方法，解决推力相似和扭矩相似的难题。最后，基于开发的全耦合方法，揭示不同海况下砰击载荷特性以及断缆对整个风机系统的动力和运动的影响程度。本项目研究工作取得了较丰富的研究成果，在本项目的研究和资助下，在高水平国际期刊上，总计发表了论文 74 篇，其中 SCI 检索 38 篇。在高水平国际会议上发表论文 26 篇。申请有关专利 15项，授权软件著作权 6 项，编写专著 2 部。总之，本研究项目针对漂浮风机这些极具挑战性的力学特点，在数值方法上开展简化和特性研究。在一些关键科学上，例如气弹性不稳定性，风机尾流的相互作用，风机-支持平台-锚泊系统的耦合运动上，漂浮式风机系统的模型试验上都开展了创新性研究，这些研究成果在国内的漂浮风机性能分析和设计上都应用，必然会使漂浮式风机系统向大型、深水、高效、智能方向发展，提高我国在漂浮式风机装备制造上的研究水平，提高国际竞争力。