浮式海上風電機組試驗模型相似準則與風荷載模擬裝置

李玉剛， 趙志峰， 任年鑫

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，深海工程研究中心，遼寧 大連 116024)

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·實驗技術·

浮式海上風電機組試驗模型相似準則與風荷載模擬裝置

李玉剛， 趙志峰， 任年鑫

(大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，深海工程研究中心，遼寧 大連 116024)

浮式海上風電機組(FOWT)作為一門新興的前沿學科，相關研究強烈地依賴波浪水池模型試驗，模型試驗結果的準確性和可靠性不僅取決于模型本身能否反映實際結構的幾何與力學特征，而且取決于試驗環境能否重現自然的海洋環境。因此，當前適用于FOWT波浪水池模型試驗的相似準則和風荷載模擬技術研究顯得尤為重要，分別針對以上兩方面內容闡述了當前國內外研究現狀及存在的問題，為FOWT波浪水池模型試驗提供有益的借鑒。

浮式海上風電機組； 模型試驗； 相似準則； 風荷載

0 引 言

海上風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。當海水深度超過50 m時，浮式海上風電機組(FOWT)將具有更好的經濟可行性[1]。目前，大功率風電機組和浮式平臺是開發海上風能產業的兩大技術趨勢[2]。世界范圍內適合發展FOWT的區域為：歐洲西海岸，地中海，北海深水區域，美國的東北和西海岸，亞洲(日本，中國，韓國)[3]，因此大力開發FOWT將具有廣闊的應用前景。

FOWT作為一門新興的前沿學科，相關研究強烈地依賴波浪水池模型試驗，而模型試驗結果的準確性和可靠性一方面取決于模型本身能否反映實際結構的幾何與力學特征；另一方面也取決于試驗環境能否重現自然的海洋環境。因此，當前適用于FOWT波浪水池模型試驗的相似準則和風荷載模擬技術研究顯得尤為重要。本文分別針對以上兩方面內容闡述當前國內外研究現狀及存在的問題，為FOWT波浪水池模型試驗提供有益的借鑒。

1 FOWT試驗模型相似準則

物理模型試驗要滿足幾何相似、運動相似和動力相似，其中動力相似比較難于實現。對于海洋工程問題，流體通常會受到很多力的作用，理論上，物理模型試驗應同時滿足重力相似準則(Froude數相等)、黏滯力相似準則(雷諾數相等)、壓力相似準則(歐拉數相等)、表面張力相似準則(韋伯數相等)、彈性力相似準則(柯西數相等)，但是要完全滿足所有性質的力學相似是不可能的。通常都是根據具體的試驗研究對象，選擇合適的相似準則，以滿足起主導地位的力的相似。

海洋工程如海洋平臺波浪水池試驗，Froude模型可以有效地表征波浪力學問題中主導因素——慣性力，因此普遍采用Froude數和嚴格的幾何相似準則[4]，其保證了模型與原型之間的重力和慣性力的正確關系。

1.1 傳統方法

對于FOWT，除了風電機組與風荷載，Froude模型表征了其他所有感興趣的本質關系，這些直接影響浮式結構整體的水動力響應。而雷諾數模型一般用來開展空氣動力學實驗，對于承受巨大的波浪荷載的浮體結構如果采用雷諾數模型是不實際的。因此，迄今為止，FOWT模型試驗[5-9]普遍沿襲了Froude相似準則及嚴格的幾何相似準則。

對于一個自由面波的Froude數：

(1)

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

(2)

原型與模型的關系為：

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-結構相互作用試驗不同，Froude相似準則并不適用于風電機組性能試驗(如變槳距、發電功率等特征)。

1.2 折中方法

外部荷載中風荷載所占比重很大，風荷載的正確模擬對FOWT物理模型試驗的可靠性影響很大，如果風荷載也遵循Froude相似準則，即意味著原型與模型的風荷載為比尺的3次方關系，由于Froude比尺的葉片翼型將與原型處在完全不同的雷諾數區域，這必然使得氣動荷載不能與目標匹配。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，風機模型等效為一個阻力板，阻力板固定在塔筒頂部，它的中心跟葉片中心對應(見圖1)。而風機的氣動荷載由簡易造風裝置或風洞模擬。

等效原則為：風輪旋轉產生的推力T風機等于等效板面所受阻力T等效板與比尺λ的3次方乘積，具體表達式如下：

(4)

(5)

T風機=T等效板λ3

(6)

式中：CT為風機的推力系數；CD為等效板面的阻力系數；A風輪為旋轉風輪掃略面積；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速。

對于CD，當等效板沒有空隙時，取1.2；若有空隙時采用以下公式確定：

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 考慮葉片旋轉與陀螺效應

由于上述阻力板等效模型本身是固定不動的，風機葉片的轉動慣量不能被有效模擬，如果旋轉的風輪沿著垂直于旋轉軸的軸向旋轉，則葉片在浮體上的轉動慣量還會導致陀螺效應。例如，當葉片旋轉時平臺的偏航將導致一個橫搖矩施加在塔頂。為了模擬該物理現象，可以將一個質量塊加到一個旋轉桿的端部以實現葉片的轉動慣量，旋轉桿由電機提供動力[12]，如圖2所示。

圖2 考慮葉片旋轉與陀螺效應模型

1.4 基于Froude相似準則和功能相似的FOWT波水池試驗模型設計方法

前述模型試驗方法僅適用于模擬總的風機荷載，無法進一步開展風電機組控制行為(變速或變槳距等)對FOWT整體性能的影響試驗，然而，Jonkman[13]的數值研究成果顯示，風機控制行為對FOWT整體響應有重要的影響。Goupee等[7]針對3種浮式平臺(半潛式，張力腿，SPAR)在MARIN海洋工程水池進行了全面的試驗研究(NREL 5MW風機)，由于Reynolds數效應導致風機功率系數和推力系數偏低，為了獲得合適的氣動荷載，不得不施加更大的基于Froude相似的風荷載[14]，這顯然是不理想的。一方面造風成本急劇攀升；另一方面更大的風荷載又必然導致對其他結構如塔筒和平臺額外的作用[15]，最終使得模型風機的氣動荷載與原型風機完全不匹配。為彌補以上不足，Matthew等[16]建立了基于Froude相似準則和功能相似的FOWT波水池試驗模型相似準則，并在試驗中得到了較為理想的結果，其優化數學模型為：①目標函數。模型風機與原型風機推力系數誤差最小，模型風機與原型風機功率系數誤差最小；②約束條件。葉片升力系數小于允許值，指定截面葉片扭轉角與葉片弦長在運行范圍內；③設計變量。指定截面葉片扭轉角與葉片弦長在運行范圍內；④優化算法。非經典優化算法，如遺傳算法等，避免陷入局部最優解。

2 風荷載模擬裝置

如何真實地重現海上風環境要素，對于提高實驗研究的精度，有效揭示和掌握風荷載對FOWT作用的客觀規律，綜合分析和驗證海洋復雜環境對FOWT的耦合作用機理具有重要的意義。

目前模型試驗中風荷載的模擬有：①將風機作用效果等效為定常載荷(直接加力)；②簡易風扇陣列；③高品質風洞；④改進的局部造風裝置；⑤噴氣裝置。

2.1 風荷載作用效果等效為定常荷載[17]

該方法不能模擬風譜的變化引起荷載的波動特征，并且這種接觸式加載方式影響浮式風機整體運動姿態(見圖3)。

圖3 風荷載作用效果等效為定常荷載

2.2 局部造風-簡易風扇陣列

將多組軸流風扇放置在池邊或固定在工作橋上，面對模型進行工作，往往產生穩態風荷載，但品質較差(湍流度大于10%)，由于巨大的風荷載擴散面，風譜的產生和控制是非常困難的(見圖4)。

圖4 簡易風扇陣列[5，18]

2.3 整體造風——較高品質風洞

風洞是空氣動力學試驗中最廣泛使用的工具，起先用于確定飛行器的氣動布局和評估其氣動性能等，現在風洞試驗已經從航天領域推廣至土木工程、海洋工程等領域，其主要用于對大氣邊界層的模擬。大氣邊界層風洞可以模擬出高質量的風場，體現在氣流的穩定性、風速的均勻性和風向的均勻性方面，均能達到較高的精度。但是對于海洋工程的物理模型試驗，風洞中風、浪、流經常同時出現，且風洞中造波機、池壁、拖車等設備干擾因素多，風場的品質比土木風洞稍差一些(湍流度一般小于2%)，且風場對波浪自由面產生影響而導致結構的動力響應失真。另外，風洞試驗最大的問題是造價比較昂貴(見圖5)。

圖5 風洞[9，11]

2.4 改進的局部造風——增加整理裝置

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

圖6 改進風扇[20]

2.5 噴嘴形式

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

圖7 噴嘴

3 結 語

如何合理確定FOWT模型相似準則和真實重現海洋環境是決定試驗研究成敗的關鍵。本文結合國內外文獻分別介紹了當前針對FOWT模型試驗的相似準則研究方法，即：傳統方法、折中方法、考慮葉片旋轉與陀螺效應方法以及基于功能相似的方法等，以及風荷載的模擬方法，包括直接加力、簡易風機陣列、風洞、改進方法、噴氣法等。在此基礎上，對各種方法的優缺點做了客觀的評價，可以為FOWT及相關的海洋工程結構物理模型試驗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

國家自然科學基金資助(51409040)；高等學校博士學科點專項科研基金資助(20130041120048)；中央高校基本科研業務資助(DUT14RC(4)31)

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

U 661

A

1006-7167(2016)02-0004-04