海上漂浮式風電機組空氣動力特性的仿真模擬研究

上海電力實業有限公司 ■ 刁曉偉

上海勘測設計研究院有限公司 ■ 林琳*

0 引言

如今，風電機組市場對超過5 MW的大型海上漂浮式風電機組的需求大幅增加。對于漂浮式風電機組來說，由于在風浪流的聯合作用下，漂浮式基礎的運動響應較大，因此海上漂浮式風電機組所處的空氣動力環境要遠復雜于陸地和海上固定式風電機組。由于現階段對仿真模擬方法和荷載估算能力的研究有限，使海上漂浮式風電機組的空氣動力學分析成為挑戰。漂浮式風電機組基礎的平移和旋轉運動會引入額外的有效風，縱搖和縱蕩運動將導致轉子很難在軸向流下運行。此外，由于引入了有效的風切變，穿過風電機組的無效風速發生了改變。除有效風的方向和大小發生變化外，與漂浮式風電機組基礎運動相關的額外自由度也將引入額外的不穩定的流動，這都限制了分析方法的使用。因此，判斷葉素動量理論方法是否仍然可以準確預報漂浮式風電機組的空氣動力特性非常有必要。

氣動荷載的預測是風電機組系統設計與仿真的基礎。目前，已有許多理論來模擬風電機組的行為。因為漂浮式風電機組試驗的缺乏，這些理論方法被用來驗證風電機組的設計。目前，主要有3種風電機組氣動性能分析方法，分別是葉素動量理論(BEM)[1]方法、渦格法(VLM)[2]和計算流體動力學(CFD)方法[3]。

BEM方法是根據動量理論所編寫的一個簡單的工程模型，用來驗證漂浮式風電機組穩定性和結構承受荷載能力，如Bladed、FAST等，都使用了此基本氣動計算方法。經典的BEM方法通過假設氣動荷載和誘導流場之間的平衡來確定誘導速度。由于BEM方法不能模擬轉子背后的湍流區、動態失速和偏航入流的情況，因此這些氣動效應只能通過半經驗修正模型來實現。然而， Sebastian 和Lackner的研究表明，經過普通修正的傳統邊界元理論不能準確模擬漂浮式風電機組的空氣動力特性[4-5]。

VLM方法是一種可行的工程模型，它表明了非均勻效應與風電機組的垂直尾流相關。 Garrel[6]應用升力線自由尾跡方法，建立了空氣動力仿真模型ECN’s AWSM。

CFD方法通過解Navier-stokes方程，提供各種物理模擬。用于風電機組模擬的CFD方法采用了先進的 Transition Modelling技術，再加上湍流模型和有效的滑動界面方法，解決物理模擬和數值模擬的挑戰，因此，CFD方法是模擬流動分離和尾流干擾的合適選擇。CFD方法可以用來研究流動的細節，而其他如BEM等基于勢流理論的方法卻不能做到。然而，CFD方法會顯著增加計算成本，因此并沒有在工程實際中得到廣泛應用。瑞典斯德哥爾摩大學使用CFD求解器Flower 對MW級漂浮式風電機組進行了全三維CFD建模，并將風電機組在縱搖運動下的計算結果與BEM邊界元法進行了對比[1]。美國可再生能源實驗室(NREL)的研究結果表明[7]，當前對風電機組的分析過分主觀，且對參數的定義松散，對風電機組空氣動力學物理現象的準確了解太少。

本文采用BEM和CFD兩種不同的仿真模擬方法，對漂浮式風電機組在風浪流聯合作用下的空氣動力特性進行研究。通過對計算結果的比較分析，得出不同方法在氣動荷載預測中的適用性和局限性。

1 仿真

1.1 仿真模型

OC3-Hywind漂浮式風電機組將NREL開發的5 MW風電機組模型安裝在立柱式(Spar)平臺上，作為研究模型。Jonkman[8]對風電機組及基礎參數進行了詳細說明，并公開了數據模型。圖1描述了OC3-Hywind漂浮式風電機組的幾何參數。

1.2 仿真方法

1.2.1 BEM方法

圖1 OC3-Hywind漂浮式風電機組幾何參數

應用基于BEM方法的仿真模擬軟件FAST研究風電機組系統的動態響應。FAST軟件普遍用于海上漂浮式風電機組的仿真模擬計算，通過耦合流體力學、空氣動力學、結構力學和控制系統，進行漂浮式風電機組一體化分析。FAST仿真過程應用Aerodyn模塊進行風電機組氣動荷載的仿真；應用Hydordyn模塊進行塔筒及支撐平臺水動力荷載的仿真。所有的模擬都是從固定在原點的轉子開始的，此處取水深320 m，海平面大氣溫度15 ℃，大氣壓力1.013×105Pa。本文選取風電機組運行的3種不同工況進行研究，分別是額定工況、低于額定工況、極限工況。表1分別描述了3種不同工況下的風和波浪荷載參數，并應用FAST軟件計算得出不同工況下平臺運動結果，如表2所示。

表1 風浪荷載參數定義

表2 平臺運動參數

1.2.2 CFD方法

應用CFD商業軟件STAR CCM+，對OC3-Hywind漂浮式風電機組進行仿真模擬計算。通過NREL公開的幾何參數進行建模，三維幾何模型如圖2所示。CFD模型包括葉片附近的旋轉區域和遠離葉片的固定區域。這兩個區域通過滑動邊界和動網格技術相互作用，確保旋轉域中的網格幾乎無相對的節點位移。圓柱體計算域的長和直徑分別是1291 m和630 m。從風電機組中心出發，向負方向(上游)和正方向(下游)分別延伸半徑的5.5倍和15倍，如圖3所示。數值網格中的單元格總數約為2800萬個，圖4為葉片和整個風電機組的網格模型。三維非定常流動的模擬是應用了雷諾平均Navier-Stokes方程的剪切應力運輸湍流模型SSTk-w。本文對漂浮式風電機組的模擬采用了半耦合方法，即輸入來流風并給定通過FAST計算得到的平臺運動。由于縱搖和縱蕩運動的自由度已經給定，平臺運動可假設為由振幅(Amp)和頻率(Freq)表示的一階正弦函數，方程為：

式中，θpitch為縱搖運動的角度；θsurge為縱蕩運動的幅度；t為時間；φ為相位差。

圖2 OC3-Hywind漂浮式風電機組三維幾何模型

圖3 計算域

圖4 CFD計算網格模型

2 數值分析

2.1 計算結果

圖5～圖13分別描述了OC3-Hywind漂浮式風電機組在不同工況、不同運動、不同計算方法下的功率和推力曲線。對CFD方法、BEM方法及動態尾流法(GDW)下的計算結果進行對比，并對比了縱搖-縱蕩聯合運動和6自由度運動下的計算結果。

圖5 低于額定工況下，漂浮式風電機組縱搖運動下的功率和推力曲線

圖6 低于額定工況下，漂浮式風電機組縱蕩運動下的功率和推力曲線

圖7 低于額定工況下，漂浮式風電機組縱搖－縱蕩聯合運動下的功率和推力曲線

圖8 極限工況下，漂浮式風電機組縱搖運動下的功率和推力曲線

圖9 極限工況下，漂浮式風電機組縱蕩運動下的功率和推力曲線

圖10 極限工況下，漂浮式風電機組縱搖－縱蕩聯合運動下的功率和推力曲線

圖11 額定工況下，漂浮式風電機組縱搖運動下的功率和推力曲線

圖12 額定工況下，漂浮式風電機組縱蕩運動下的功率和推力曲線

圖13 額定工況下，漂浮式風電機組縱搖－縱蕩聯合運動下的功率和推力曲線

2.2 結果分析

非定常CFD方法可比其他方法更有效地預測氣動尾流效應，因為其考慮了粘性效應和渦尾流，并考慮了風電機組葉輪繞輪轂中心旋轉時的流場相互作用。圖5～圖13表明，應用BEM方法計算得出的功率值與CFD方法計算結果的差異值均小于15%。3種運動相比，縱搖-縱蕩聯合運動下，BEM方法與CFD方法計算結果的差異最大。因此，漂浮式風電機組在復雜劇烈運動下，采用BEM方法對空氣動力的模擬準確度存在不確定性。此外，GDW方法的計算結果遠高于BEM方法，而與CFD方法較為接近。在1/4周期，因為附加速度的增加，增強了葉片和流場之間的相互作用，而使功率增加；然而在4/4周期，由于附加速度的降低，功率減小；在2/4和3/4周期，葉片和流場之間的相互作用減弱。由此可見，附加速度和非軸向角對氣動性能起著關鍵作用。

3 結語

通過對CFD方法、BEM方法、GDW方法的模擬結果進行對比，得出FAST軟件在復雜工況下(風浪流聯合作用下)與STAR CCM+軟件的計算結果存在一定差異的結論，特別是在大運動的情況下，這種差異尤為明顯。因此，需要進一步研究FAST軟件在漂浮式風電機組空氣動力特性的仿真模擬中的應用。

[1]Matha D, Schlipf M, Cordle A, et al.Challenges in Simulation of Aerodynamics, Hydrodynamics, and Mooring-Line Dynamics of Floating Offshore Wind Turbines[A].the 21st Offshore and Polar Engineering Conference[C].Maui, Hawaii, 2011-06.

[2]Minu Jeon, Seungmin Lee, Soogab Lee.Unsteady Aerodynamics of Offshore Floating Wind Turbines in Platform Pitching Motion using Vortex Lattice Method[J].Renewable Energy, 2014, 65(5): 207－212.

[3]Anand Bahuguni, Krishnamoorthi Sivalingam, Peter Davies, et al.Implementation of Computational Methods to Obtain Accurate Induction Factors for Offshore Wind Turbines[A].the ASME 2014 33rd International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering[C].San Francisco, California, USA, 2014.

[4]Thomas Sebastian, Matthew Lackner.Offshore Floating Wind Turbines - An Aerodynamic Perspective[A].49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition[C].Orlando, Florida, USA, 2011.

[5]Thomas Sebastian, Matthew Lackner.A Comparison of First-Order Aerodynamic Analysis Methods for Floating Wind Turbines[A].48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition[C].Orlando,Florida, USA, 2010.

[6]Garrel A.Development of a Wind Turbine Aerodynamics Simulation Module[R].Technical Report ECN-C–03-079, 2003.

[7]Gordon L J.Challenges in Modeling the Unsteady Aerodynamics of Wind Turbines[A].21st ASME Wind Energy Symposium and the 40th AIAA Aerospace Sciences Meeting[C].Reno, Nevada, USA, 2002.

[8]Jonkman J, Butterf i eld S, Musial W, et al.Def i nition of a 5MW Reference Wind Turbine for Offshore System Development[R].Technical Report NREL/TP-500-38060, 2009.