论文部分内容阅读
随着现代社会对能源需求的不断增加和传统能源的日益开采消耗,能源危机越来越凸显。人们开始寻找出路,于是将目光投向了新能源领域。风能尤其是海上风能作为一种清洁的、可再生的新能源,在近几年得到了充分的发展,越来越引起了各国政府的重视,成为了未来能源发展的重要方向。研究海上风机,对于发展海上风电,解决未来能源问题具有重要意义。本文以计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的开源软件平台Open FOAM为工具,利用数值模拟的方法计算了海上风机的气动性能、浮式平台在波浪中的水动力性能,以及海上风机对浮式平台运动响应的影响等初步耦合分析,并利用CFD方法能直接模拟三维粘性流场的优势,分析了海上风机的尾流场,为今后进行海上风机整体耦合分析奠定了基础。本文首先介绍了两种求解叶片旋转运动的方法:多重参考系法求解定常流场问题和滑移网格法求解非定常流场问题,并分别用螺旋桨和美国国家可再生能源实验室NREL Phase VI风机的标准算例对这两种方法进行了验证,表明了这两种方法的可靠性。在此基础上,针对海上风机的气动性能分析,首先研究了湍流模型、计算域大小以及不同偏航角等不同参数对数值模拟结果精确性的影响。然后,针对国际能源署(International Energy Agency,IEA)Task30的Offshore Code Comparison Collaboration Continuation(简称OC4)Phase II所用的NREL 5MW海上风机,分别用多重参考系法和滑移网格法计算了叶片的气动性能。并且为了研究塔影效应,计算了叶片带塔架时的气动性能。最后,针对海上风机的浮式平台,利用小组基于Open FOAM平台开发的naoe-FOAM-SJTU求解器计算了平台在波浪中的受力和运动响应。并采用等效的办法,将风机的影响等效为固定的力和矩施加在平台的旋转中心上,对比了此时平台的受力和运动响应,分析了自由面的速度场和压力场以及平台的压力分布的变化情况,研究了风机对平台水动力性能的影响。