【周恬】平台六自由度运动对漂浮式风机尾流影响的数值研究_23页_7mb

平台六自由度运动对漂浮式风机尾流影响的数值研究总结

研究背景

随着全球风能理事会预测，到2030年漂浮式海上风电装机容量将达16.5GW，其中大部分将在2026年后投运。漂浮式风机由于其独特的六自由度运动响应，使得尾流预测比固定式风机更加复杂。中国计划在2027年前建成全球首个1吉瓦的漂浮式海上风电场，因此，对漂浮式风机在不同运动工况下的尾流演变规律进行深入研究具有重要意义。

研究目的

本文基于大涡模拟（LES）数值框架，改进传统风机致动线模型，以考虑平台运动对风机尾流的影响。研究旨在分析漂浮式风机在纵摇、横摇、艏摇、纵荡、横荡和垂荡六种自由度运动工况下的尾流涡演变与速度损失分布规律，探讨改进后的致动线模型在漂浮式风机性能与尾流预测中的可行性。

模型介绍

大涡模拟（LES）

• 大涡模拟的核心思想是追踪大尺度涡，将小尺度涡进行模化处理。
• 采用Smargorinsky（SGS）涡粘模型进行亚格子应力项求解闭合。
• 数值计算域尺寸为 $18D \times 6D \times 6D$，上游均匀入流风速为 $11.4 , \text{m/s}$，风机转速为 $12.1 , \text{rpm}$。
• 网格独立性验证采用四级加密策略，总网格数为295万，证明网格策略的独立性。

改进致动线模型

• 通过引入平台运动所附加的速度修正，改进传统致动线模型，以适应六自由度运动工况。
• 采用三维正则化核函数平滑体积力作用域，避免数值奇异性。
• 风机位置坐标、体积力作用域和平台相对速度均进行了修正，以更准确地模拟风机与流场的相互作用。

结果分析

风机时序性能表现

• 纵荡工况下风机性能呈现显著的周期性变化趋势。
• 横荡、垂荡工况下风机性能基本与固定工况一致。
• 纵摇工况下风机推力系数和功率系数均出现下降，表明其可能面临失速风险。
• 不同工况下的尾流损失瞬时分布中心截面云图显示了尾流结构的变化。

风机尾流涡演变

• 六自由度运动均会提高尾流的不稳定性，并产生周期性涡量强度变化。
• 纵摇工况下尾涡随平台运动相位周期性倾斜变形，形成交错的长涡带。
• 纵荡工况下尾涡形成等距涡环尾迹，仍保持对称性。
• 横荡和垂荡工况下尾涡提前进入湍流过渡区，且外扩散角更大，扩散系数更高。

风机尾流速度损失

• 纵摇、横摇和艏摇工况下尾流近区有所延长，且纵摇工况下尾流出现明显偏转。
• 纵荡、横荡和垂荡工况下尾流近区提前衰减，进入过渡区更早。
• 横荡和垂荡工况下尾流分布更广，且双高斯分布的峰值较小。

风机尾流自相似发生起点

• 自相似发生起点判断依据为：径向风速损失轮廓与高斯函数相关性系数达到0.99；或下游尾流中心速度损失恢复到 $U = \sqrt{1 - C_t} U_{\infty}$。
• 除艏摇工况外，其余运动工况均倾向于延长尾流自相似起始位置。
• 横摇、横荡和垂荡工况下尾流过于分散，难以形成单高斯速度损失分布轮廓。

结论

• 漂浮式平台的纵荡、纵摇和横摇运动工况会导致风机输出功率和推力载荷出现周期性变化，其中横摇的时变幅度较小。
• 纵摇、横摇和艏摇工况下尾涡形成相似的周期性长涡带，而纵荡工况下尾涡呈现等距涡环结构。
• 横荡和垂荡工况下尾涡提前进入湍流过渡区，具有更大的外扩张角。
• 除艏摇工况外，其余自由度运动倾向于延长尾流自相似起始位置，但横摇、横荡和垂荡工况下的尾流过于分散，难以形成单高斯分布轮廓。

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