海上风电Spar浮式基础运动特性研究

【摘要】：随着大型海上风机技术的快速发展，海上风力发电已成为未来风能利用的新趋势。然而当前正蓬勃发展的固定式海上风电场与近海旅游、港口建设、既定航线、湿地保护等诸多既有海洋开发规划存在冲突，且受到水深的限制，面临着严重的发展瓶颈。因而未来海上风力发电必走向深蓝，发展浮式基础支撑式深水大型风电场具有现实意义。然而，海上风电浮式基础所处海洋环境复杂，大型海上风力发电机组结构重量大和重心偏高，且运转时会传递的巨大的风倾力矩，这导致了研发能够为大型海上风机正常工作提供稳定支撑，运动性能优越且经济可靠的海上风电浮式基础极具挑战性。 本文将海上采油平台Cell Spar的结构设计理念引入到海上风力发电浮式基础的研发中，提出了海上风电Cell Spar浮式基础的概念设计，并展开了浮式基础运动特性的深入研究，为海上风电Cell Spar浮式基础的优化设计和运动特性研究提供了理论保证和技术支持。首先基于三维频域势流理论，针对垂荡板数量、水深、重心高度的变化对CellSpar浮式基础的水动力性能的影响进行深入探究；通过与原型Spar模型比较，验证CellSpar的水动力性能，并为采用原型Spar进行基于粘性流理论的运动特性研究提供依据。接着，研究了浮筒式悬链线系泊系统与传统悬链线系泊系统的时域运动耦合响应，得出浮筒式悬链线系泊系统的更适合海上风电Cell Spar浮式基础的结论。基于此考虑不同风速、浪高和浪向对该系泊系统的影响，并对极端海况下系泊缆断裂后对系泊系统的影响进行分析研究。然后，基于三维波浪数值水池模型技术，建构了基于粘性流理论的波浪与海上风电Cell Spar浮式基础相互作用的数值模拟计算体系，对规则波作用下Cell Spar浮式基础的流场、受力以及运动响应进行分析。最后，发展了基于粘性流理论的全尺寸海洋平台及海洋浮式结构物的强迫振荡运动试验数值水池技术，分别研究了垂荡板和海上风电Cell Spar浮式基础在强迫振荡运动过程中的流场和受力等运动特性，研究结果表明海上风电Cell Spar浮式基础粘性阻尼并不随着垂荡板的数量增加而线性增加，且受到Spar浮式基础的硬舱和软舱遮蔽作用而衰减。这为后续的垂荡板优化提供理论支持，为海上风电浮式基础的垂荡性能预估提供了一种新的思路和方法。 【关键词】：海上风电浮式基础 Cell Spar 运动特性分析 CFD
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P751;TM315
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 海上风电浮式基础研究进展13-23
• 1.2.1 海上风电产业发展概述13-14
• 1.2.2 新型海上风电浮式基础结构形式研究进展14-19
• 1.2.3 海上风电浮式基础运动特性研究进展19-23
• 1.3 本文主要研究内容23-25
• 第二章 海上风电 Cell Spar 浮式基础总体设计理念25-31
• 2.1 海上风电 Cell Spar 浮式基础设计理念25-26
• 2.2 海上风电 Cell Spar 浮式基础结构形式26-27
• 2.3 海上风电 Cell Spar 浮式基础主要参数27-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 海上风电 Cell Spar 浮式基础运动响应三维频域分析31-51
• 3.1 浮式基础运动响应研究频域理论基础31-35
• 3.1.1 线性波理论31-32
• 3.1.2 三维格林函数法32-34
• 3.1.3 浮式基础运动方程34-35
• 3.2 海上风电 Cell Spar 浮式基础运动特性频域分析35-42
• 3.2.1 海上风电 Cell Spar 浮式基础水动力性能分析35-39
• 3.2.2 Cell Spar 与经典 Spar 运动特性对比39-42
• 3.3 结构参数对海上风电 Cell Spar 浮式基础运动特性影响42-50
• 3.3.1 垂荡板性能对运动特性的影响42-45
• 3.3.2 海域水深对运动特性的影响45-47
• 3.3.3 结构重心位置对运动特性的影响47-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第四章 海上风电 Cell Spar 浮式基础运动响应时域耦合分析51-87
• 4.1 浮式基础运动响应研究时域理论基础51-57
• 4.1.1 海上风电浮式基础耦合方法51-52
• 4.1.2 环境载荷52-54
• 4.1.3 系泊系统校核准则54-57
• 4.2 海上风电 Cell Spar 系泊系统参数57-59
• 4.3 海上风电 Cell Spar 浮式基础系泊系统特性研究59-80
• 4.3.1 浮筒式悬链线系泊系统与传统悬链线系泊系统对比研究59-63
• 4.3.2 不同海况下浮筒式悬链线锚链系泊性能63-80
• 4.4 破损状态下海上风电 Cell Spar 浮式基础系泊系统特性研究80-85
• 4.5 本章小结85-87
• 第五章 基于 CFD 海上风电 Cell Spar 浮式基础动力响应分析87-107
• 5.1 浮式基础粘性流数值模拟理论与方法88-90
• 5.1.1 VOF 方法简介88
• 5.1.2 控制方程88-89
• 5.1.3 数值造波和消波方法89-90
• 5.2 基于 VOF 方法的三维波浪数值水池技术实现及验证90-93
• 5.2.1 数值模型建立与网格划分90-91
• 5.2.2 三维波浪的数值水池可靠性验证91-93
• 5.3 基于三维波浪数值水池技术的 Cell Spar 浮式基础运动特性研究93-105
• 5.3.1 数值模型建立93-94
• 5.3.2 数值模拟结果与分析94-105
• 5.4 本章小结105-107
• 第六章 海上风电 Cell Spar 浮式基础垂荡运动特性研究107-127
• 6.1 垂荡运动数值计算方法108-110
• 6.1.1 研究方法108
• 6.1.2 计算原理108-110
• 6.2 垂荡板水动力数值计算110-119
• 6.2.1 计算模型和网格划分110-111
• 6.2.2 边界条件和求解方法111-113
• 6.2.3 数值计算结果分析113-119
• 6.3 海上风电 Cell Spar 浮式基础垂荡运动特性分析119-125
• 6.3.1 数值模型建立119-121
• 6.3.2 数值计算结果121-125
• 6.4 本章小结125-127
• 结论127-131
• 课题的总结与评价127-129
• 课题的展望与设想129-131
• 参考文献131-136
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果136-137
• 致谢137-138
• 答辩委员会对论文的评定意见138

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