海上浮式风力机平台及耦合运动研究

海洋风能开发利用的关键问题之一是设计安全可靠和经济实用的风力机基础平台。在近海浅水海域内，码头、航道和养殖等已经占用大量的海洋面积，风电产业可利用海域仍然有限，所以深水浮式风力机的研究成为新的热点。本项目提出半潜式组合浮筒风力机平台基本模块、基本模块组合方式和系泊方法，通过理论分析和模型实验的手段，建立风力机－平台系统耦合运动的流管法（SDMT）、边界元法（BEM）和无网格法(MPLG)动力学数学模型；研究风力机－平台耦合运动规律及其流体动力性能变化机理；研究组合模块的流体性能及结构性能的简化分析方法。为近海深水区域浮式风力机－平台的选型设计和性能研究奠定科学基础。

针对海上浮式风力机系统，本项目设计了三种形式浮式机平台及其系泊系统。基于固定式风力机气动载荷的叶素动量理论，考虑风力机运动引起的入流速度的改变，提出了一种适合浮式风力机的空气动力学模型；基于非线性细长体理论建立了浮式平台的水动力学模型；基于悬链线理论建立了系泊系统模型；构建了非线性耦合运动方程并提出了耦合和非耦合的解法。通过改变系泊系统的相关参数，得出了系泊系统的系泊规律。在概念设计和模拟计算的基础上，研制了浮式平台并进行了实验研究。结果表明：数值模型计算准确性可靠，垂荡板可以增加垂荡和纵摇阻尼减小其运动响应，风载荷的存在对纵摇响应性能影响最为显著，风载荷使平台纵荡响应大于海洋平台规范的限定值。通过研究浮式平台与风力机的相互作用，得出了不同风速下两者之间的作用规律。通过分析系统耦合和非耦合的运动响应，得出了两者运动响应的特性和差异。利用数值模型所得的载荷对风力机平台的结构强度做了初步分析，结果证明设计安全