海上風(fēng)電Spar浮式基礎(chǔ)運動特性研究

【摘要】：隨著大型海上風(fēng)機技術(shù)的快速發(fā)展，海上風(fēng)力發(fā)電已成為未來風(fēng)能利用的新趨勢。然而當(dāng)前正蓬勃發(fā)展的固定式海上風(fēng)電場與近海旅游、港口建設(shè)、既定航線、濕地保護等諸多既有海洋開發(fā)規(guī)劃存在沖突，且受到水深的限制，面臨著嚴重的發(fā)展瓶頸。因而未來海上風(fēng)力發(fā)電必走向深藍，發(fā)展浮式基礎(chǔ)支撐式深水大型風(fēng)電場具有現(xiàn)實意義。然而，海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)所處海洋環(huán)境復(fù)雜，大型海上風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)重量大和重心偏高，且運轉(zhuǎn)時會傳遞的巨大的風(fēng)傾力矩，這導(dǎo)致了研發(fā)能夠為大型海上風(fēng)機正常工作提供穩(wěn)定支撐，運動性能優(yōu)越且經(jīng)濟可靠的海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)極具挑戰(zhàn)性。 本文將海上采油平臺Cell Spar的結(jié)構(gòu)設(shè)計理念引入到海上風(fēng)力發(fā)電浮式基礎(chǔ)的研發(fā)中，提出了海上風(fēng)電Cell Spar浮式基礎(chǔ)的概念設(shè)計，并展開了浮式基礎(chǔ)運動特性的深入研究，為海上風(fēng)電Cell Spar浮式基礎(chǔ)的優(yōu)化設(shè)計和運動特性研究提供了理論保證和技術(shù)支持。首先基于三維頻域勢流理論，針對垂蕩板數(shù)量、水深、重心高度的變化對CellSpar浮式基礎(chǔ)的水動力性能的影響進行深入探究；通過與原型Spar模型比較，驗證CellSpar的水動力性能，并為采用原型Spar進行基于粘性流理論的運動特性研究提供依據(jù)。接著，研究了浮筒式懸鏈線系泊系統(tǒng)與傳統(tǒng)懸鏈線系泊系統(tǒng)的時域運動耦合響應(yīng)，得出浮筒式懸鏈線系泊系統(tǒng)的更適合海上風(fēng)電Cell Spar浮式基礎(chǔ)的結(jié)論?；诖丝紤]不同風(fēng)速、浪高和浪向?qū)υ撓挡聪到y(tǒng)的影響，并對極端海況下系泊纜斷裂后對系泊系統(tǒng)的影響進行分析研究。然后，基于三維波浪數(shù)值水池模型技術(shù)，建構(gòu)了基于粘性流理論的波浪與海上風(fēng)電Cell Spar浮式基礎(chǔ)相互作用的數(shù)值模擬計算體系，對規(guī)則波作用下Cell Spar浮式基礎(chǔ)的流場、受力以及運動響應(yīng)進行分析。最后，發(fā)展了基于粘性流理論的全尺寸海洋平臺及海洋浮式結(jié)構(gòu)物的強迫振蕩運動試驗數(shù)值水池技術(shù)，分別研究了垂蕩板和海上風(fēng)電Cell Spar浮式基礎(chǔ)在強迫振蕩運動過程中的流場和受力等運動特性，研究結(jié)果表明海上風(fēng)電Cell Spar浮式基礎(chǔ)粘性阻尼并不隨著垂蕩板的數(shù)量增加而線性增加，且受到Spar浮式基礎(chǔ)的硬艙和軟艙遮蔽作用而衰減。這為后續(xù)的垂蕩板優(yōu)化提供理論支持，為海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)的垂蕩性能預(yù)估提供了一種新的思路和方法。 【關(guān)鍵詞】：海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ) Cell Spar 運動特性分析 CFD
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P751;TM315
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-25
• 1.1 研究背景11-13
• 1.2 海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)研究進展13-23
• 1.2.1 海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述13-14
• 1.2.2 新型海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式研究進展14-19
• 1.2.3 海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)運動特性研究進展19-23
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容23-25
• 第二章 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)總體設(shè)計理念25-31
• 2.1 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)設(shè)計理念25-26
• 2.2 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式26-27
• 2.3 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)主要參數(shù)27-30
• 2.4 本章小結(jié)30-31
• 第三章 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)三維頻域分析31-51
• 3.1 浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)研究頻域理論基礎(chǔ)31-35
• 3.1.1 線性波理論31-32
• 3.1.2 三維格林函數(shù)法32-34
• 3.1.3 浮式基礎(chǔ)運動方程34-35
• 3.2 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)運動特性頻域分析35-42
• 3.2.1 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)水動力性能分析35-39
• 3.2.2 Cell Spar 與經(jīng)典 Spar 運動特性對比39-42
• 3.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)運動特性影響42-50
• 3.3.1 垂蕩板性能對運動特性的影響42-45
• 3.3.2 海域水深對運動特性的影響45-47
• 3.3.3 結(jié)構(gòu)重心位置對運動特性的影響47-50
• 3.4 本章小結(jié)50-51
• 第四章 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)時域耦合分析51-87
• 4.1 浮式基礎(chǔ)運動響應(yīng)研究時域理論基礎(chǔ)51-57
• 4.1.1 海上風(fēng)電浮式基礎(chǔ)耦合方法51-52
• 4.1.2 環(huán)境載荷52-54
• 4.1.3 系泊系統(tǒng)校核準則54-57
• 4.2 海上風(fēng)電 Cell Spar 系泊系統(tǒng)參數(shù)57-59
• 4.3 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)系泊系統(tǒng)特性研究59-80
• 4.3.1 浮筒式懸鏈線系泊系統(tǒng)與傳統(tǒng)懸鏈線系泊系統(tǒng)對比研究59-63
• 4.3.2 不同海況下浮筒式懸鏈線錨鏈系泊性能63-80
• 4.4 破損狀態(tài)下海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)系泊系統(tǒng)特性研究80-85
• 4.5 本章小結(jié)85-87
• 第五章 基于 CFD 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)動力響應(yīng)分析87-107
• 5.1 浮式基礎(chǔ)粘性流數(shù)值模擬理論與方法88-90
• 5.1.1 VOF 方法簡介88
• 5.1.2 控制方程88-89
• 5.1.3 數(shù)值造波和消波方法89-90
• 5.2 基于 VOF 方法的三維波浪數(shù)值水池技術(shù)實現(xiàn)及驗證90-93
• 5.2.1 數(shù)值模型建立與網(wǎng)格劃分90-91
• 5.2.2 三維波浪的數(shù)值水池可靠性驗證91-93
• 5.3 基于三維波浪數(shù)值水池技術(shù)的 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)運動特性研究93-105
• 5.3.1 數(shù)值模型建立93-94
• 5.3.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析94-105
• 5.4 本章小結(jié)105-107
• 第六章 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)垂蕩運動特性研究107-127
• 6.1 垂蕩運動數(shù)值計算方法108-110
• 6.1.1 研究方法108
• 6.1.2 計算原理108-110
• 6.2 垂蕩板水動力數(shù)值計算110-119
• 6.2.1 計算模型和網(wǎng)格劃分110-111
• 6.2.2 邊界條件和求解方法111-113
• 6.2.3 數(shù)值計算結(jié)果分析113-119
• 6.3 海上風(fēng)電 Cell Spar 浮式基礎(chǔ)垂蕩運動特性分析119-125
• 6.3.1 數(shù)值模型建立119-121
• 6.3.2 數(shù)值計算結(jié)果121-125
• 6.4 本章小結(jié)125-127
• 結(jié)論127-131
• 課題的總結(jié)與評價127-129
• 課題的展望與設(shè)想129-131
• 參考文獻131-136
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果136-137
• 致謝137-138
• 答辯委員會對論文的評定意見138

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