深海漂浮式风力机气动弹性和水动力耦合机理及解耦算法

深海漂浮式风力机是复杂的多柔体系统，风、波、流扰动具有非定常、强非线性特点，属有分层自由表面流体与柔性体的耦合问题。 由于其气动－弹性－水动力学相互耦合的复杂作用，相对于陆上和浅海风力机，因长柔叶片的气动弹性效应显著、平台运动自由度增加，原有风力机气动弹性理论不再适用；相对于海洋平台，又因其气动载荷大，水动力载荷小，原有水动力计算方法也不完全适用。 本项目通过水动力学实验探究风、波、流及其组合扰动对其整机动力学特性影响效应的量级和耦合作用机制；据此建立深海漂浮式风力机整机动力学理论和仿真模型；进而采用动态子结构法解耦思路，将整个系统分解为"塔架与旋转叶片的非定常气动与柔性结构耦合问题"和"风力机－平台－系泊系统结构与水动力耦合问题"子系统，通过在时间域上采用三种不同的解耦算法进行求解，并进行整机水动力学实验验证。为深海漂浮式风力机的设计、计算、仿真、控制和优化提供理论基础。

针对现有气动弹性理论和水动力求解算法尚不完全适用于深海漂浮式风力机整机动力学仿真的研究现状，本项目提出将风力机系统分解为“塔架与旋转叶片的非定常气动与柔性结构耦合问题”和“风力机-平台-系泊系统结构与水动力耦合问题”子系统，联合时域求解动力学响应的解耦算法。.针对深海漂浮式大型风力机气动载荷非定常和运动多自由度的特点，基于Pitt-Peters-He加速度势动态入流理论和叶素动量理论建立风轮非定常气动力求解模型；采用大尺度海工结构波浪力计算方法并考虑非定常海流作用，通过悬链线模型描述系泊系统，基于势流理论和Morison方程建立水动力求解模型；基于Kane方法建立多体动力学模型，采用模态截断法描述叶片和塔架等柔性连续体弹性变形，加快了整机动力学耦合模型的求解速度。基于上述三种理论模型，建立了漂浮式风力机系统动力学弱耦合模型，交替求解水动与气动两组方程进行系统动力学分析。通过单向流固耦合、GH Bladed和AQWA对所建立的动力学耦合模型加以验证，良好的吻合度表明所建模型的准确性和有效性。.针对漂浮式风力机受载种类多样的特点，研究了TLP、Spar、驳船式、桩柱式和半潜式等多种平台在风、波、流多载荷及其组合下的动态特性，提出了附加垂荡板抑制结构剧烈的垂直运动以及附加螺旋侧板降低平台垂直位移和扭转角的解决思路，效果明显。为平台优化设计提供了理论和技术支撑。.针对我国多台风、频地震的风力机在役环境的特殊性，开展了湍流风场与地震联合作用下多兆瓦级风力机动力学仿真研究，得到了风力机不同部件受风载和地震载荷的影响。为研制适应于我国气候、地理特点的大型风力机提供了技术和理论参考。为高效利用陆、海风场资源，开展风力机微观布局的机组尾迹控制研究，提出了风场风力机全局优化协调控制策略，风场机组功率有显著提高。结合CFD数值模拟，开展了大型风力机叶片气动弹性剪裁研究，结果对于大型风力机叶片结构特性设计有较大的参考价值。为提高风力机的气动效率及降低气动载荷，提出了柔性尾缘襟翼和刚性俯仰襟翼流场主动控制策略研究，结果表明在气动效率明显改善的同时，叶片所受载荷也有较大的降低。为解决风力机大型化带来的结构问题及研发我国具有自主知识产权的风力机叶片提出了新思路。此外，提出了基于分形学的湍流风谱建模，为准确描述风场及基于此的气动、结构计算提供了新思路，该方法也可推广于建立波、浪模型。