浮动式海上风力涡轮机俯仰运动诱导不同工作状态的气动分析

期刊信息：该研究由Yefeng Cai、Haisheng Zhao、Xin Liu和Yuanchuan Liu共同完成，发表在国际知名期刊《Energy》285卷（2023年），文章编号129538，于2023年10月31日在线发布。主要作者单位包括大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室、大连理工大学水利工程学院以及中国海洋大学工程学院。

研究背景与目标

在风能领域，浮动式海上风力涡轮机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）因其在深水区的应用潜力而备受关注。与传统固定式风力涡轮机相比，FOWT在恶劣海洋环境中会经历六自由度运动（垂荡、纵荡、横荡、横摇、俯仰和偏航），导致转子相对风速不断变化，影响气动载荷和输出功率。

本研究针对FOWT在大幅俯仰运动时可能出现的动态失速（Dynamic Stall）和复杂转子-尾流相互作用（如涡环状态VRS和螺旋桨工作状态PWS）现象展开深入分析。这些极端工况会导致气动参数和流动状态发生复杂变化，影响发电效率并增加涡轮机损坏风险。

研究方法与流程

计算方法和建模

研究采用基于开源工具箱OpenFOAM的计算流体动力学（CFD）模拟方法，使用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程结合k-ω SST湍流模型来准确捕捉流动细节。对于瞬态、不可压缩粘性流体，研究建立了完整的三维CFD模型：

1. 运动处理：采用任意网格界面（AMI）技术处理结构旋转问题，设置两个嵌套圆柱面作为AMI滑动表面，同时实现转子旋转和平台俯仰运动

2. 边界条件设置：

   • 入口风速设为11.4 m/s（固定值）
   • 出口采用”inletOutlet”条件
   • 风力涡轮机表面采用无滑移边界条件
   • 压力边界条件中，入口和涡轮表面设为”zeroGradient”，出口设为0固定值

3. 网格生成与验证：

   • 使用Fluent Meshing软件构建poly-hexcore网格
   • 计算域尺寸设置为1000m(x)×400m(y)×500m(z)
   • 总网格数343万，叶尖附近局部加密至0.5m
   • 通过网格收敛性测试验证了中等网格密度能够兼顾计算精度和效率

俯仰运动模拟

研究选用了美国国家可再生能源实验室（NREL）设计的5 MW基准海上风力涡轮机作为研究对象。基于英国周边海域实际波浪分布数据，选取了三种不同幅度的俯仰运动（2.475°、4.95°和7.34°）来覆盖正常运行和极端工况：

1. 运动参数计算：

   • 俯仰位移 θₚ = Aₚsin(ωₚt)
   • 转子中心线速度 uₚᵣ = Aₚωₚrₚcos(ωₚt)
   • 各叶片截面速度 uₚᵢ = ωₚr(rₚ + rcos(ωᵣt + (i-1)2π/3))cos(ωₚt)

2. 工作状态判定标准：

   • 提出基于速度场的VRS和PWS判定新标准
   • VRS判定条件：uₚ - uₘₙ > 0（轴向诱导因子a > 1）
   • PWS判定条件：uₚ - uₙ > 0（轴向诱导因子a < 0）

数据分析方法

1. 攻角计算：采用Rahimi等人提出的三点法，在叶片每侧设置三个测量点，计算叶片附近平均速度得出的攻角

2. 载荷计算：

   • 推力 T = ∮ₛ pn·dS
   • 功率 P = ω∮ₛ (r × pn)·dS

3. 流动分析：通过涡量分布、压力系数等参数分析流动细节

主要研究结果

工作状态识别

研究发现，随着俯仰幅度增加，风力涡轮机更容易进入VRS和PWS状态：

1. 在俯仰幅度4.95°时，叶片尖端在第三和第八俯仰周期出现短暂VRS
2. 在7.34°时，更大范围的叶片区域会在多个俯仰周期经历VRS和PWS
3. 由于塔架阴影效应，叶片根部也可能出现VRS，表现为平均法向速度uₘₙ降低

气动载荷变化

1. 整体载荷：

   • 推力和功率变化范围随俯仰幅度增加而扩大
   • 7.34°俯仰时最小推力可出现负值
   • 功率最小值降至零但不出现显著负值
   • 平均功率随俯仰幅度增加而持续增长（2.475°增加10.93%，7.34°增加23.44%）

2. 局部载荷：

   • 大攻角会引发动态失速，导致叶片法向和切向力剧烈波动
   • 动态失速时切向力波动可达100%，叶片截面几乎失去推动转子旋转的能力

流动特性分析

1. 涡环状态(VRS)：

   • 导致叶片法向力和攻角出现负值
   • 负法向力主要源于叶片迎风面的负压
   • 造成叶片尖端涡不连续，停止生成涡流

2. 动态失速：

   • 由过大攻角引起，导致叶片背风面负压减小
   • 伴随大量脱落涡沿叶片展向产生

3. 涡流相互作用：

   • 后向运动速度超过下游涡传播速度时，会导致不同叶片生成的叶尖涡间距减小
   • 涡-涡相互作用会改变叶尖涡形状，使流场复杂化

研究结论与价值

这项研究为FOWT在不同俯仰运动状态下的气动特性提供了深入理解，主要结论包括：

1. 提出了一种基于速度场的VRS和PWS判定新标准，可直接适用于复杂平台运动工况

2. 揭示了动态失速主要由过大攻角引起，导致载荷降低伴随剧烈波动

3. 阐明了VRS/PWS状态下负法向力产生的流动机制以及涡流相互作用特点

该研究的科学价值在于： - 为FOWT在极端工况下的气动特性提供了理论基础 - 发展了一种更准确的工作状态识别方法 - 揭示了复杂平台运动下流场演变与气动载荷变化的关联机制

工程应用价值体现在： - 为FOWT设计和控制策略提供理论依据 - 有助于预防VRS/PWS等危险工况发生 - 对提高FOWT运行安全性和发电效率具有指导意义

研究亮点与创新

1. 方法学创新：

   • 开发了基于速度场的VRS/PWS判定新标准
   • 完整建立了考虑俯仰运动的三维CFD模型
   • 采用三点法准确计算动态攻角

2. 新发现：

   • 首次系统分析了FOWT在不同俯仰状态下的流场特征
   • 揭示了塔架阴影效应对VRS产生的影响
   • 定量研究了动态失速对载荷波动的影响程度

3. 工程指导：

   • 研究结果可直接用于FOWT控制系统设计
   • 为极端工况预警和避让提供理论基础
   • 对提高浮动式风电装置可靠性具有重要意义