海上风力机塔架载荷CFD计算-流体力学专业论文.docxVIP

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 南京航空航天大学硕士学位论文 摘 要 海上风力机塔架载荷计算分析为其安全性和耐用性设计提供依据，是海上风力机研制过程 中必不可少的环节之一。 波浪载荷在海上风力机塔架所受到的外力中占据重要地位，而波浪数值模拟是塔架波浪载 荷准确计算的前提。本文利用 Fluent 软件平台，采用多块结构网格，给定波浪模型，基于边界 造波法，求解非定常不可压流体的 Euler/N-S 方程，结合多相流流体体积法（VOF）追踪自由 水面，实现了小振幅波、孤立波和二阶 Stokes 波的数值模拟。计算分析表明：孤立波的数值波 浪形态在传播过程中能够很好保持，而小振幅波和二阶 Stokes 波的数值波浪是一个逐渐趋于稳 定的过程。在合适条件下，均能得到与给定波浪模型相吻合的数值波浪。计算分析了时间步 长、网格密度和粘性对数值波浪的影响：时间步长取 T/550，波高范围内划分 20 个网格、波浪 传播方向上网格密度取波长的 1/50 已能保证计算精度；对于主要受惯性力和重力影响的波浪问 题而言，粘性影响很小。波浪幅值/水深比、波浪波长（周期）会对小振幅数值波浪产生影响： 较大的波浪幅值/水深比会引起数值波浪与给定波浪模型相差很大，只有采取相对较小的波浪 幅值/水深比才能得到与给定波浪模型相吻合的数值波浪；而波长较长的小振幅波模型更利于 形成稳定的数值波浪。 在波浪数值模拟基础上，考虑塔架的影响，实现了只有波浪和风波联合两种情况下的海上 风力机塔架载荷计算。只考虑波浪情况下：小尺寸塔架对波浪影响很小，计算得到的波浪载荷 与 Morison 公式结果相吻合；随着塔架尺寸/波长比的增大，塔架的存在对波浪产生影响，塔架 尺寸与波长比相当的情况下计算得到的波浪载荷甚至出现非线性变化；同时发现当波浪幅值/ 波长的比值较大时数值波浪与给定波浪模型相差很大。风波联合情况下：风对波浪影响极小， 而波浪的周期性传播会导致塔架风载荷一定程度的周期性变化。进一步采用压力降方法考虑风 轮的作用，首次实现了海上风力机塔架/轮毂/风轮组合体在风波联合下的塔架载荷计算。 关键词：海上风力机，塔架载荷，风波联合，N-S 方程，流体体积法 i 海上风力机塔架载荷 CFD 计算 Abstract Tower load plays an important role in the safety and durability design for an offshore wind turbine, and its calculation and analysis is necessary for the offshore wind turbine development. Wave load on the offshore wind turbine tower occupies a very important position among all the external forces. Numerical simulation of wave field is the precondition of the tower wave load calculation. In this paper, the wave propagation simulation is performed on the Fluent software platform with a wave-generation method of defining the inlet boundary conditions according to the given wave model, in which the unsteady incompressible Euler/N-S equations are solved by using the multi-block structured grid and the volume of fluid (VOF) is applied to track the free water surface. The small amplitude wave, the solitary wave and the second-order Stokes wave are numerically simulated with the present method. Numerical results show that the solitary wave remains an unchanged numerical wave shape during the propagation while the numerical wave shape of t