海上風力機整機仿真分析現狀及發展

摘 要：海上風電已成為世界各國關注和研究的熱點。然后海上環境復雜，存在多種荷載的耦合作用，海上風力機的仿真應區別于陸上風力機。文章總結了海上風力機在仿真過程中針對風、浪荷載及結構域的研究方法，并對其發展趨勢提出了作者的看法。

關鍵詞：海上風力機；整機；仿真分析

風能作為一種“綠色能源”不僅可以持續供給，而且不會對環境造成任何污染。這自然使得它成為了當今全世界能源探索與開發的重點。而風力發電也成為了繼水力發電之后最具發展前景的能源獲取方式。根據風電場所處位置的不同，可將風力發電機分為陸上風力機和海上風力機兩類。隨著風電技術的迅速發展，陸上風電存在的許多問題逐漸顯露，如土地占用、噪音等。而正在探索階段的海上風電無疑將成為我國未來風能發展的方向?！笆濉笨稍偕茉匆巹澲兄赋觯?015年我國海上風力電裝機達到500萬千瓦，到2020年海上風電裝機3000萬千瓦[1]。

1 海上風力機的特殊性

由于海洋環境與樁基結構復雜的相互作用，海上風力機與傳統的陸上風力機相比表現出高度的動態運行特征。此外，海上風力機風輪、塔架、機艙與風力機海洋工程基礎的相互作用導致了設計過程的復雜性和特殊性，這就要求必須在細節設計階段其進行模擬。如果忽略存在的某些相互作用，過度簡化模型或者采用傳統的設計方法，將導致荷載和其他設計參數的不準確。因此對海上風力機的設計計算以及優化要求運用更復雜的設計和仿真程序。

2 研究現狀

2.1 風力機氣動荷載計算方法

很長一段時間以來，風力機的設計都采用葉素動量（BEM）理論來研究風場作用在風輪上的氣動荷載。BEM理論作為當今發展最成熟的理論，在風力機氣動荷載計算方面得到廣泛應用。Hansen和Butterfield（1993）通過研究指出此理論可較準確的預測風力機在非失速狀態或偏航角度不大情況下的氣動性能，且預測精度與實際測試結果偏差不超過8%[2]。

BEM理論雖然讓研究者在這一能量轉化過程中得以掌握風力機的動力特性，但也有自身的限制。它作為一種二維的模型，為了計算上的簡化，作出了很多假設，只能用于研究風力機翼型某一時刻的二維特性，無法分析葉片周圍復雜的三維流場情況。在這樣的情況下，計算流體動力學（CFD）方法便體現出了其不可比擬的優點。CFD方法計算精度高，而且針對風力機氣動性能研究可提供大量流場信息。

2.2 風力機水動荷載計算方法

針對波浪的運動國內外研究者建立了多種理論模型用以對其進行研究，如微幅波理論、Stokes波理論、流函數理論等。同時也建立了諸如特征波法、譜分析法、概率分布法及波浪模擬等來對海上波浪進行描述。

2002年荷蘭代夫特科技大學針對英國某一海上風電場進行了水動力研究，并得出結論即海上風力機波浪荷載計算時應謹慎使用低階非線性波或線性波來描述波浪[3]。Mardfekri M在2011年用線性不規則波理論對海上風力機進行研究，采用Morison方程來計算波浪荷載，針對氣動荷載則采用專門軟件進行計算。最終使用有限元軟件ABAQUS建立了一個概率模型以預測風、浪荷載聯合作用下的結構變形[4]。不同波浪的結構、荷載、運動模型會對海上風力機基礎所受荷載產生影響。Henderson等對此采用非線性及線性波浪模型進行研究并得出結論即應采用非線性波這一更加安全的模型[5]。

2.3 風力機結構域計算方法

在對海上風力機的研究過程中，有多種模型對其進行描述，如彈性鉸鏈模型、有限元（Finite Element）模型、多體系統（Multibody System）動力學模型及模態分析模型等。

彈性鉸鏈模型多見于早期的研究當中。它是將葉片的彈性集中在葉片根部從而作為彈性較來考慮，可用于葉片剛性較大的小型風力機特性研究中。陳小波使用有限元方法，將風力機葉片作為變截面中空矩形懸臂梁，塔筒采用變截面中空環形懸臂梁建立了海上風力機三維模型，對其在多種荷載作用下的動力響應進行了研究[6]。模態分析模型則是采用模態疊加法對建立的有限元模型進行模擬，求解其各階模態振型。多體系統動力學模型是將風力機系統中的細長柔性體如葉片及塔架等用有限元梁模型來劃分，而機艙等作為剛性體來考慮，同時可采用模態截斷法來減少整個系統的自由度。

在對風力機整機仿真研究方面，NREL做了大量研究。其開發的風力機空氣動力學模塊AeroDyn基于葉素動量（BEM）理論和廣義動態尾跡理論（GDW），用于計算時域下的風力機氣動荷載；開發的水動力模塊HydroDyn則采用線性波與Morison方程相結合的方法進行計算。

3 研究展望

基于目前海上風力機的研究狀況可以看出，使用CFD方法來模擬外部流場荷載無疑會得到更加精確的模擬效果和更多的流場相關信息。然而其對計算機資源的較高要求及計算時間的成本要求也是目前這種方法最大問題。如何在現有技術條件下尋求到計算精度和仿真模擬成本之間的平衡點，將成為現階段科研工作者面臨的一大問題。

參考文獻

[1]國家能源局.風電發展“十二五”規劃（國能新能（2012）195號），2012.

[2]Hansen A.C，Butterfield C.P.Aerodynamics of Horizontal-Axis Wind Turbines [J]. Annual Review of Fluid Mechanics，1993，25（4）：115-149.

[3]Andrew R Henderson，Tim R Camp.Hyrodynamic Loading on Slender Offshore Wind Turbines[J].Global Wind power Conference 2002，Naples，2002.

[4]Mardfekri M，Gardoni P，Roesset J M.Probabilistic demand models and fragility estimates for offshore wind turbine support structures[J]. Engineering Structures，2013，52：478-487.

[5]Henderson A R （Ceasa），Zaaijer MB.Hydrodynamic loading on offshore wind turbines[A].Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference[C].Toulon：ISOPE，2004：142-149.

[6]陳小波.近海風機結構體系環境荷載及動力響應研究[D].大連理工大學，2011.

作者簡介：彭 （1990-），男，四川瀘定人，碩士研究生，主要從事水工建筑物結構及其健康檢測方面的工作。