李玉剛， 趙志峰， 任年鑫

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深海工程研究中心，遼寧 大連 116024)

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·實(shí)驗(yàn)技術(shù)·

浮式海上風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則與風(fēng)荷載模擬裝置

李玉剛， 趙志峰， 任年鑫

(大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深海工程研究中心，遼寧 大連 116024)

浮式海上風(fēng)電機(jī)組(FOWT)作為一門新興的前沿學(xué)科，相關(guān)研究強(qiáng)烈地依賴波浪水池模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性不僅取決于模型本身能否反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何與力學(xué)特征，而且取決于試驗(yàn)環(huán)境能否重現(xiàn)自然的海洋環(huán)境。因此，當(dāng)前適用于FOWT波浪水池模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則和風(fēng)荷載模擬技術(shù)研究顯得尤為重要，分別針對以上兩方面內(nèi)容闡述了當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題，為FOWT波浪水池模型試驗(yàn)提供有益的借鑒。

浮式海上風(fēng)電機(jī)組； 模型試驗(yàn)； 相似準(zhǔn)則； 風(fēng)荷載

0 引 言

海上風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。當(dāng)海水深度超過50 m時(shí)，浮式海上風(fēng)電機(jī)組(FOWT)將具有更好的經(jīng)濟(jì)可行性[1]。目前，大功率風(fēng)電機(jī)組和浮式平臺是開發(fā)海上風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的兩大技術(shù)趨勢[2]。世界范圍內(nèi)適合發(fā)展FOWT的區(qū)域?yàn)椋簹W洲西海岸，地中海，北海深水區(qū)域，美國的東北和西海岸，亞洲(日本，中國，韓國)[3]，因此大力開發(fā)FOWT將具有廣闊的應(yīng)用前景。

FOWT作為一門新興的前沿學(xué)科，相關(guān)研究強(qiáng)烈地依賴波浪水池模型試驗(yàn)，而模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性一方面取決于模型本身能否反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的幾何與力學(xué)特征；另一方面也取決于試驗(yàn)環(huán)境能否重現(xiàn)自然的海洋環(huán)境。因此，當(dāng)前適用于FOWT波浪水池模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則和風(fēng)荷載模擬技術(shù)研究顯得尤為重要。本文分別針對以上兩方面內(nèi)容闡述當(dāng)前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題，為FOWT波浪水池模型試驗(yàn)提供有益的借鑒。

1 FOWT試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則

物理模型試驗(yàn)要滿足幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似，其中動(dòng)力相似比較難于實(shí)現(xiàn)。對于海洋工程問題，流體通常會受到很多力的作用，理論上，物理模型試驗(yàn)應(yīng)同時(shí)滿足重力相似準(zhǔn)則(Froude數(shù)相等)、黏滯力相似準(zhǔn)則(雷諾數(shù)相等)、壓力相似準(zhǔn)則(歐拉數(shù)相等)、表面張力相似準(zhǔn)則(韋伯?dāng)?shù)相等)、彈性力相似準(zhǔn)則(柯西數(shù)相等)，但是要完全滿足所有性質(zhì)的力學(xué)相似是不可能的。通常都是根據(jù)具體的試驗(yàn)研究對象，選擇合適的相似準(zhǔn)則，以滿足起主導(dǎo)地位的力的相似。

海洋工程如海洋平臺波浪水池試驗(yàn)，F(xiàn)roude模型可以有效地表征波浪力學(xué)問題中主導(dǎo)因素——慣性力，因此普遍采用Froude數(shù)和嚴(yán)格的幾何相似準(zhǔn)則[4]，其保證了模型與原型之間的重力和慣性力的正確關(guān)系。

1.1 傳統(tǒng)方法

對于FOWT，除了風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)荷載，F(xiàn)roude模型表征了其他所有感興趣的本質(zhì)關(guān)系，這些直接影響浮式結(jié)構(gòu)整體的水動(dòng)力響應(yīng)。而雷諾數(shù)模型一般用來開展空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，對于承受巨大的波浪荷載的浮體結(jié)構(gòu)如果采用雷諾數(shù)模型是不實(shí)際的。因此，迄今為止，F(xiàn)OWT模型試驗(yàn)[5-9]普遍沿襲了Froude相似準(zhǔn)則及嚴(yán)格的幾何相似準(zhǔn)則。

對于一個(gè)自由面波的Froude數(shù)：

(1)

式中：C是波浪傳播速度；g是重力加速度；l是特征長度。如果風(fēng)電機(jī)組特征對雷諾數(shù)不敏感，通過遵循Froude相似準(zhǔn)則，原型與模型中風(fēng)荷載與波浪荷載的比值是保證不變的，

(2)

原型與模型的關(guān)系為：

Frp=Frm

(3)

式中，p和m分別代表了原型和模型。

需要注意的是，與海洋工程波浪-結(jié)構(gòu)相互作用試驗(yàn)不同，F(xiàn)roude相似準(zhǔn)則并不適用于風(fēng)電機(jī)組性能試驗(yàn)(如變槳距、發(fā)電功率等特征)。

1.2 折中方法

外部荷載中風(fēng)荷載所占比重很大，風(fēng)荷載的正確模擬對FOWT物理模型試驗(yàn)的可靠性影響很大，如果風(fēng)荷載也遵循Froude相似準(zhǔn)則，即意味著原型與模型的風(fēng)荷載為比尺的3次方關(guān)系，由于Froude比尺的葉片翼型將與原型處在完全不同的雷諾數(shù)區(qū)域，這必然使得氣動(dòng)荷載不能與目標(biāo)匹配。為此，Tomoaki等[10-11]采用折中的辦法分別以半潛式FOWT和張力腿FOWT為研究對象，風(fēng)機(jī)模型等效為一個(gè)阻力板，阻力板固定在塔筒頂部，它的中心跟葉片中心對應(yīng)(見圖1)。而風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)荷載由簡易造風(fēng)裝置或風(fēng)洞模擬。

等效原則為：風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力T風(fēng)機(jī)等于等效板面所受阻力T等效板與比尺λ的3次方乘積，具體表達(dá)式如下：

(4)

(5)

T風(fēng)機(jī)=T等效板λ3

(6)

式中：CT為風(fēng)機(jī)的推力系數(shù)；CD為等效板面的阻力系數(shù)；A風(fēng)輪為旋轉(zhuǎn)風(fēng)輪掃略面積；A等效板為等效板面的面積；v原型和v模型分別為原型與模型風(fēng)速。

對于CD，當(dāng)?shù)刃О鍥]有空隙時(shí)，取1.2；若有空隙時(shí)采用以下公式確定：

CD=1.2(1-β2)

(7)

β=A空隙/A總

(8)

式中：A空隙為空隙面積；A總為等效板總面積。

1.3 考慮葉片旋轉(zhuǎn)與陀螺效應(yīng)

由于上述阻力板等效模型本身是固定不動(dòng)的，風(fēng)機(jī)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不能被有效模擬，如果旋轉(zhuǎn)的風(fēng)輪沿著垂直于旋轉(zhuǎn)軸的軸向旋轉(zhuǎn)，則葉片在浮體上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量還會導(dǎo)致陀螺效應(yīng)。例如，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時(shí)平臺的偏航將導(dǎo)致一個(gè)橫搖矩施加在塔頂。為了模擬該物理現(xiàn)象，可以將一個(gè)質(zhì)量塊加到一個(gè)旋轉(zhuǎn)桿的端部以實(shí)現(xiàn)葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，旋轉(zhuǎn)桿由電機(jī)提供動(dòng)力[12]，如圖2所示。

圖2 考慮葉片旋轉(zhuǎn)與陀螺效應(yīng)模型

1.4 基于Froude相似準(zhǔn)則和功能相似的FOWT波水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)方法

前述模型試驗(yàn)方法僅適用于模擬總的風(fēng)機(jī)荷載，無法進(jìn)一步開展風(fēng)電機(jī)組控制行為(變速或變槳距等)對FOWT整體性能的影響試驗(yàn)，然而，Jonkman[13]的數(shù)值研究成果顯示，風(fēng)機(jī)控制行為對FOWT整體響應(yīng)有重要的影響。Goupee等[7]針對3種浮式平臺(半潛式，張力腿，SPAR)在MARIN海洋工程水池進(jìn)行了全面的試驗(yàn)研究(NREL 5MW風(fēng)機(jī))，由于Reynolds數(shù)效應(yīng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率系數(shù)和推力系數(shù)偏低，為了獲得合適的氣動(dòng)荷載，不得不施加更大的基于Froude相似的風(fēng)荷載[14]，這顯然是不理想的。一方面造風(fēng)成本急劇攀升；另一方面更大的風(fēng)荷載又必然導(dǎo)致對其他結(jié)構(gòu)如塔筒和平臺額外的作用[15]，最終使得模型風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)荷載與原型風(fēng)機(jī)完全不匹配。為彌補(bǔ)以上不足，Matthew等[16]建立了基于Froude相似準(zhǔn)則和功能相似的FOWT波水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨茰?zhǔn)則，并在試驗(yàn)中得到了較為理想的結(jié)果，其優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：①目標(biāo)函數(shù)。模型風(fēng)機(jī)與原型風(fēng)機(jī)推力系數(shù)誤差最小，模型風(fēng)機(jī)與原型風(fēng)機(jī)功率系數(shù)誤差最小；②約束條件。葉片升力系數(shù)小于允許值，指定截面葉片扭轉(zhuǎn)角與葉片弦長在運(yùn)行范圍內(nèi)；③設(shè)計(jì)變量。指定截面葉片扭轉(zhuǎn)角與葉片弦長在運(yùn)行范圍內(nèi)；④優(yōu)化算法。非經(jīng)典優(yōu)化算法，如遺傳算法等，避免陷入局部最優(yōu)解。

2 風(fēng)荷載模擬裝置

如何真實(shí)地重現(xiàn)海上風(fēng)環(huán)境要素，對于提高實(shí)驗(yàn)研究的精度，有效揭示和掌握風(fēng)荷載對FOWT作用的客觀規(guī)律，綜合分析和驗(yàn)證海洋復(fù)雜環(huán)境對FOWT的耦合作用機(jī)理具有重要的意義。

目前模型試驗(yàn)中風(fēng)荷載的模擬有：①將風(fēng)機(jī)作用效果等效為定常載荷(直接加力)；②簡易風(fēng)扇陣列；③高品質(zhì)風(fēng)洞；④改進(jìn)的局部造風(fēng)裝置；⑤噴氣裝置。

2.1 風(fēng)荷載作用效果等效為定常荷載[17]

該方法不能模擬風(fēng)譜的變化引起荷載的波動(dòng)特征，并且這種接觸式加載方式影響浮式風(fēng)機(jī)整體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)(見圖3)。

圖3 風(fēng)荷載作用效果等效為定常荷載

2.2 局部造風(fēng)-簡易風(fēng)扇陣列

將多組軸流風(fēng)扇放置在池邊或固定在工作橋上，面對模型進(jìn)行工作，往往產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)風(fēng)荷載，但品質(zhì)較差(湍流度大于10%)，由于巨大的風(fēng)荷載擴(kuò)散面，風(fēng)譜的產(chǎn)生和控制是非常困難的(見圖4)。

圖4 簡易風(fēng)扇陣列[5，18]

2.3 整體造風(fēng)——較高品質(zhì)風(fēng)洞

風(fēng)洞是空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中最廣泛使用的工具，起先用于確定飛行器的氣動(dòng)布局和評估其氣動(dòng)性能等，現(xiàn)在風(fēng)洞試驗(yàn)已經(jīng)從航天領(lǐng)域推廣至土木工程、海洋工程等領(lǐng)域，其主要用于對大氣邊界層的模擬。大氣邊界層風(fēng)洞可以模擬出高質(zhì)量的風(fēng)場，體現(xiàn)在氣流的穩(wěn)定性、風(fēng)速的均勻性和風(fēng)向的均勻性方面，均能達(dá)到較高的精度。但是對于海洋工程的物理模型試驗(yàn)，風(fēng)洞中風(fēng)、浪、流經(jīng)常同時(shí)出現(xiàn)，且風(fēng)洞中造波機(jī)、池壁、拖車等設(shè)備干擾因素多，風(fēng)場的品質(zhì)比土木風(fēng)洞稍差一些(湍流度一般小于2%)，且風(fēng)場對波浪自由面產(chǎn)生影響而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)失真。另外，風(fēng)洞試驗(yàn)最大的問題是造價(jià)比較昂貴(見圖5)。

圖5 風(fēng)洞[9，11]

2.4 改進(jìn)的局部造風(fēng)——增加整理裝置

另一種局部造風(fēng)方式是將離心風(fēng)扇代替軸流風(fēng)扇以避免產(chǎn)生混流而引起風(fēng)場的不均勻性和高湍流度，多組風(fēng)扇放置在波浪水池一邊。利用通風(fēng)管道將氣流引導(dǎo)到模型附近，然后通過方形的擴(kuò)散器連接各通風(fēng)管道。該造風(fēng)方式增加了風(fēng)扇數(shù)量和造風(fēng)有效空間，使得模型可以在更大尺度下進(jìn)行試驗(yàn)，從而減小尺度效應(yīng)。為了改善氣流的品質(zhì)，借鑒風(fēng)洞設(shè)計(jì)思想，采用收縮段對風(fēng)加速；采用蜂窩器用來降低氣流的水平湍流度；采用整流網(wǎng)降低氣流的縱向湍流度以及平均風(fēng)速的均勻性，經(jīng)過這些措施，其風(fēng)場品質(zhì)明顯提高(湍流度小于3%)，且比風(fēng)洞造價(jià)要便宜很多(見圖6)。

圖6 改進(jìn)風(fēng)扇[20]

2.5 噴嘴形式

劉坤寧等[21]提出一種新型風(fēng)機(jī)荷載模擬裝置，即采用氣流噴射方法，基于反作用力的加載方式對浮式結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行線力和力矩的模擬。該裝置可以模擬更為重要的低頻風(fēng)荷載，將力時(shí)程直接加載到模型上而無需模擬風(fēng)場，避免了模擬均勻風(fēng)場的問題(見圖7)。

圖7 噴嘴

3 結(jié) 語

如何合理確定FOWT模型相似準(zhǔn)則和真實(shí)重現(xiàn)海洋環(huán)境是決定試驗(yàn)研究成敗的關(guān)鍵。本文結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)分別介紹了當(dāng)前針對FOWT模型試驗(yàn)的相似準(zhǔn)則研究方法，即：傳統(tǒng)方法、折中方法、考慮葉片旋轉(zhuǎn)與陀螺效應(yīng)方法以及基于功能相似的方法等，以及風(fēng)荷載的模擬方法，包括直接加力、簡易風(fēng)機(jī)陣列、風(fēng)洞、改進(jìn)方法、噴氣法等。在此基礎(chǔ)上，對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了客觀的評價(jià)，可以為FOWT及相關(guān)的海洋工程結(jié)構(gòu)物理模型試驗(yàn)提供有益的借鑒和參考。

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Model Testing Scale Laws of Floating Offshore Wind Turbine and Wind Load Simulation Device

LIYu-gang,ZHAOZhi-feng,RENNian-xin

(Deepwater Engineering Research Center, State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

As a fledgling discipline, the related research of floating offshore wind turbine (FOWT) is strongly dependent on the model testing in wave tank, furthermore, the accuracy and reliability of model test not only depends on whether the model itself can reflect the geometric and mechanical characteristics of actual structure, but also depends on whether the test environment can reproduce the natural marine environment. Therefore, the applicable scale laws study on FOWT and the wind load reproduce skills is particularly important. In view of the current domestic and foreign research situation and the existing problems about the above two aspects, this paper provides a useful reference for FOWT wave model test.

floating offshore wind turbine (FOWT); model testing; scale laws; wind load

2015-05-04

國家自然科學(xué)基金資助(51409040)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助(20130041120048)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)資助(DUT14RC(4)31)

李玉剛(1979-)，男，河北石家莊人，博士，工程師，從事深海試驗(yàn)技術(shù)與海上風(fēng)能研究。E-mail：liyugang@dlut.edu.cn

U 661

A

1006-7167(2016)02-0004-04