漂浮式垂直轴潮流能水轮机动力耦合与仿真

Making full use of abundant marine energy resources and developing floating vertical axis tidal current power generation technology are of great strategic significance for solving the problems of power shortage in many islands and providing offshore platforms and energy supplies for coastal defense construction. The lack of cognition of the coupling dynamics of the floating vertical axis power flow turbine (FVATT) system is one of the key problems that restrict its development. Based on the multi-body dynamics method, the rigid and flexible coupled structural dynamic model of the blade, shaft and floating platform is established. Based on the dynamic inflow model, dynamic wake model and virtual blade technology, the unsteady fluid load calculation method of vertical axis turbine is developed. A control strategy based on blade independent variable pitch and speed control is applied to establish a MPC control method that can improve the maximum power efficiency of FVATT system and reduce the vibration of blades, spindle and platform. Finally, this project establishes a fluid-structure-control full coupled dynamic model and numerical simulation method for FVATT system. The motion and dynamic characteristics of the multi-body system under control are analyzed, and the mechanism of dynamic coupling is explored. The FVATT model test is carried out to provide the basis for the theoretical model, the numerical algorithm and the mechanism research. The completion of this project is of great significance for enriching the theory of tidal current turbine design and laying the scientific and technological foundation for improving the efficiency and reliability of tidal turbines.

充分利用丰富的海洋能资源，发展漂浮式垂直轴潮流能发电技术对于解决我国众多岛屿无电问题、为海防建设提供远洋平台和能源补给都具有重要战略意义。漂浮式垂直轴潮流能水轮机（简称FVATT）系统耦合动力学认知不足是制约其发展的关键问题之一。本项目基于多体动力学方法建立叶片-主轴-浮式平台刚柔耦合结构动力学模型，基于动态入流模型、动态尾流模型和虚拟叶片技术发展垂直轴叶轮非定常流体载荷计算方法，采用叶片独立变桨和变速相结合的控制策略，建立能提高FVATT系统最大能量利用率并降低叶片、主轴、平台振动的MPC控制方法，最终建立FVATT系统流体-结构-控制全耦合动力学模型和数值仿真方法，分析控制作用下多体系统运动和动力变化规律，探索动力学耦合机理。开展模型试验，为理论模型、数值算法和机理研究提供验证依据。本项目完成，对于丰富潮流能水轮机设计理论具有重要意义，为提高水轮机效率和可靠性奠定科学方法与技术基础。

充分利用丰富的海洋能资源，发展漂浮式垂直轴潮流能水轮机（FVATT）对于解决深远海资源开发能量补给，为海防建设提供远洋平台都具有重要战略意义。为了解决FVATT系统耦合动力学认知不足的难点问题，突破FVATT设计分析能力不足的技术瓶颈。本项目采用理论、数值模拟和试验研究相结合的方法开展FVATT多体耦合、流固耦合、动力与控制耦合的力学规律探寻和耦合机理探索，并形成FVATT系统一体化仿真方法。.基于虚功原理和拉格朗日乘子法建立了FVATT刚柔耦合数值计算方法。分析了结构参数、环境参数、运行参数对FVATT运动和动力的影响规律，揭示了刚柔耦合机理、多体耦合机理。基于哈密顿原理并结合有限元法，推导了垂直轴叶轮气弹性算法，获得了叶片挥舞-摆振-扭转耦合变形运动响应特性。.引入虚拟叶片模型，动态失速模型、动态尾流模型、建立了FVATT非定常双盘面多流管法。结合边界元法和悬链线理论，建立了FVATT时域耦合算法。综合多体动力学方法，建立了FVATT流固耦合仿真方法。分析了剪切流、湍流、波浪等复杂海洋环境下叶片、塔架变形运动、浮体摇荡运动与叶轮流体载荷的流固耦合规律。引入转速控制，形成了FVATT流体-结构-伺服联合仿真方法，探讨了动力学与控制的耦合规律。.基于FVATT动力学方程推导了以提高叶轮功率品质、减小平台振动为控制目标的控制模型，开发了FVATT线性和非线性多目标MPC控制方法。分析了负载、风速、波浪力扰动下转矩控制、集中变桨控制、独立变桨控制对叶轮功率、叶轮转速、浮体摇荡幅值的控制效果。结合BP神经网络、遗传算法、PID控制形成了FVATT智能控制算法。.基于一体化仿真方法和相似理论，研制了由变偏角H型水轮机和双体船浮体组成的FVATT实验模型，在拖曳水池中分别开展了水轮机启动特性试验；不同流速和负载下水轮机功率和水动力特性实验；不同波浪周期和频率下浪流联合实验等，获得了环境参数、负载状态对FVATT系统运动特性、动力特性和功率特性的影响规律。.项目研究成果，对于完善FVATT设计分析理论，提升FVATT效率和可靠性都具有重要意义。