半潜式风流联合发电装置流体动力特性耦合分析研究

For the integrated utilization of offshore wind energy and tidal current energy, this project proposes a semi-submersible combined generating device SWT, which consists of a semi-submersible platform, horizontal axis wind turbines and vertical axis tidal turbines. As the research object, a coupled analysis model which considers the rotation of turbines and the impact of wave vibration and a fast calculation method of SWT device are developed in frequency domain, based on Boundary Element Method (BEM), combined with viscous Computational Fluid Dynamic (CFD) method and linear frequency domain theory. Then, a coupled nonlinear numerical solution in time domain is established to reveal the coupled mechanism and the force characteristic of SWT device, which is based on BEM theory, Morison equation and radiation & diffraction theory. After that, a general optimization design method of SWT device is developed to achieve stable and reliable operation and maximize the power output. An integrated optimization control method of SWT device is also proposed, in the consideration of the hydrodynamic performance influence caused by revolving speed control strategy of wind turbine and tidal turbine. Finally, an test platform of SWT device is built and the model test research is carried out. The model test and the test analysis method are formed to verify the accuracy of the numerical calculation, and then furtherly reveal the mechanism and the law of coupled effect. The achievement of this project can provide theory base and technical support for the integrated development and utilization of offshore wind energy and tidal current energy.

为了实现海上风能和潮流能的综合开发利用，本项目提出一种由半潜平台、水平轴风力机和竖轴水轮机组成的半潜式风流联合发电装置SWT。以该装置为研究对象，结合粘性CFD方法和线性频域理论，考虑风力机和水轮机旋转及波浪振荡影响，基于频域边界元法建立SWT装置频域耦合分析模型和快速计算方法。应用动量叶素理论、莫里森方程和辐射绕射理论，建立SWT装置非线性时域耦合数值求解方法，揭示风流联合发电装置的耦合作用机理和力学特征。以装置稳定可靠工作和能量最大化输出为目标，建立SWT装置总体优化设计方法。考虑风力机和水轮机转速控制策略对装置水动力特性的影响，提出SWT装置集成优化控制方法。搭建风流联合发电装置实验平台，开展模型实验研究，形成联合发电装置实验测试和分析方法，验证数值计算结果的准确性，进一步揭示风流联合发电装置的耦合作用机理和规律。项目的完成将为海上风能和潮流能综合开发利用提供理论基础和技术支持。

在“海洋强国”战略、“一带一路”倡议，以及“双碳3060目标”的背景下，开发利用海洋可再生能源，对于缓解能源紧张，降低环境污染，优化能源结构，营造绿水青山环境，推进人类可持续发展，具有重要意义。.本项目基于海上潮流能和风能利用，提出了一种由半潜平台、水平轴风力机、竖轴双转子水轮机组成的半潜式风流联合发电装置（简称SWT），结合线性频域方法和粘性CFD理论，首先建立了风力机和竖轴水轮机在不同旋转条件下的等效水动力系数求解方法，从而建立了计及叶轮旋转、振荡效应影响的SWT系统频域响应动力学方程。在上述研究基础上，结合莫里森方程，势流理论和动量叶素理论，建立了SWT系统非线性时域耦合数值求解方法，系统研究了半潜平台、水平轴风力机、竖轴水轮机和系泊系统之间的非线性耦合作用，揭示了SWT系统的耦合作用机理和规律。然后结合我国浙江和山东半岛海洋环境特点，以风流联合发电装置主尺寸和布置方式为优化参数，建立了SWT系统总体优化数学模型和优化参数，系统分析了风力机和水轮机控制策略对SWT装置的影响规律并形成了对应的SWT系统集成控制方法。最后通过系列的实验研究，验证了SWT装置设计的合理性，以及SWT系统快速频域耦合数值方法及非线性时域算法的可靠性，揭示了半潜式平台、水平轴风力机、竖轴双转子水轮机及系泊系统之间的耦合作用机理及规律，为半潜式风流联合发电装置的研究和工程应用提供理论基础和技术支撑。.在该项目资助下，项目组研究建立了SWT装置流体动力性能耦合分析方法，揭示了风流联合发电装置的耦合作用机理和影响规律，研制了SWT装置实验样机，并通过实验验证了理论分析，获得了宝贵实验数据。项目组发表SCI/EI等学术论文17篇；获得国防科技进步二等奖1项，黑龙江省高校科学技术奖1项；获得PCT国际发明专利授权2项，国家发明专利授权6项，受理国家发明专利4项。培养博士后1人，博士研究生8人，硕士研究生15人。.项目按计划完成全部研究内容和成果指标。