本發(fā)明涉及海洋工程，尤其涉及一種海上浮式風機垂蕩板選型方法。

背景技術：

1、風力發(fā)電已有悠久的歷史，近年來海上風電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。隨著單機容量不斷增大，工作海域不斷加深，浮式基礎相較于固定式基礎更具經(jīng)濟優(yōu)勢。為提高浮式平臺的穩(wěn)定性，抑制平臺運動，提升風機發(fā)電效率，可根據(jù)環(huán)境條件和搭載風機設計合適的垂蕩板結構。不同結構形式的垂蕩板可改變平臺的固有周期和阻尼系數(shù)，是關乎浮式風電系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性的關鍵。垂蕩板比選是海上浮式風機設計過程中的重要環(huán)節(jié)。

2、已有大量學者證明了垂蕩板對浮式平臺運動的抑制作用。然而，基于勢流理論的數(shù)值方法忽略了流體的粘性，無法觀測垂蕩板對流動特性的影響，往往只能給出定量的分析結果，且精度有待提高。水池模型試驗方法需加工設計模型、準備試驗場地儀器設施等，需要大量的時間成本和人力資源。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術中存在的技術問題之一。為此，本發(fā)明提供一種海上浮式風機垂蕩板選型方法，旨在解決相關技術中基于勢流理論的數(shù)值方法進行垂蕩板比選時忽略了流體的粘性，無法觀測垂蕩板對流動特性的影響，而水池模型試驗方法需要大量的時間成本和人力資源。

2、本發(fā)明提供一種海上浮式風機垂蕩板選型方法，包括：

3、獲取漂浮式風機平臺和m個垂蕩板的三維模型；

4、執(zhí)行數(shù)學物理模型建立步驟，所述數(shù)學物理模型建立步驟包括從m個所述垂蕩板的三維模型中選擇一個未試驗過的裝配至所述漂浮式風機平臺的三維模型上形成試驗模型，并基于所述試驗模型建立基于cfd的數(shù)學物理模型；

5、基于所述數(shù)學物理模型設計計算閾和邊界條件，并選擇湍流模型，且在所述數(shù)學物理模型區(qū)域附近進行網(wǎng)格加密，劃分不同網(wǎng)格并進行網(wǎng)格穩(wěn)定性驗證，確定網(wǎng)格劃分方案；

6、對所述數(shù)學物理模型進行自由度衰減試驗，獲取所述漂浮式風機平臺的固有周期和阻尼系數(shù)；

7、獲取所述數(shù)學物理模型建立步驟的執(zhí)行次數(shù)，若所述執(zhí)行次數(shù)小于m，則轉至所述數(shù)學物理模型建立步驟，若所述執(zhí)行次數(shù)等于m，則確定所述漂浮式風機平臺的固有頻率遠離波浪激勵頻率且阻尼系數(shù)最大的垂蕩板為最優(yōu)方案。

8、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，所述漂浮式風機平臺包括：

9、立柱，所述立柱包括三根，三根所述立柱的軸線圍成三棱柱；

10、橫撐，所述橫撐連接在相鄰兩根所述立柱之間的頂部，且與所述立柱垂直；

11、浮筒，所述浮筒連接在所述相鄰兩根所述立柱之間的底部，且與所述立柱垂直；

12、斜撐，所述斜撐設置在所述立柱與所述橫撐之間。

13、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，所述垂蕩板包括第一圓盤，所述第一圓盤的直徑大于所述立柱的底面的直徑；

14、或者，所述垂蕩板包括第二圓盤和兩個第一長方形板，所述第二圓盤的直徑等于所述立柱的底面的直徑，所述第一長方形板沿所述第二圓盤的徑向延伸，且兩個所述第一長方形板位于與對應的所述立柱連接的所述浮筒的下方；

15、或者，所述垂蕩板包括第三圓盤和兩個第二長方形板，所述第三圓盤的直徑大于所述立柱的底面的直徑，所述第一長方形板沿所述第二圓盤的徑向延伸，且兩個所述第一長方形板位于與對應的所述立柱連接的所述浮筒的下方。

16、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，所述第一圓盤與所述漂浮式風機平臺的重合面積為a1，所述第二圓盤和兩個所述第一長方形板與所述漂浮式風機平臺的重合面積為a2，所述第三圓盤與兩個所述第二長方形板與所述漂浮式風機平臺的重合面積為a3，其中，a1＜a2＜a3。

17、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，根據(jù)所述數(shù)學物理模型的大小設計邊界條件包括：

18、定義左邊界為速度入口，右邊界為壓力出口，前邊界和后邊界為對稱平面，頂部邊界為自由滑移壁面，底部邊界為無滑移壁面；

19、設置所述速度入口和所述壓力出口為周期性接觸，形成充分發(fā)展性邊界。

20、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，所述湍流模型采用iddes模型。

21、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，在所述數(shù)學物理模型區(qū)域附近進行網(wǎng)格加密，劃分不同網(wǎng)格并進行網(wǎng)格穩(wěn)定性驗證，確定網(wǎng)格劃分方案包括：

22、采用混合網(wǎng)格離散形式，將計算域分成外部流體域和內(nèi)部overset動網(wǎng)格核心域兩個部分；

23、采用切割型六面體形式網(wǎng)格，進行網(wǎng)格無關性驗證，當網(wǎng)格數(shù)量增加，網(wǎng)格質量和overset插值質量不再變化或變化量低于預設值時確定為最優(yōu)的網(wǎng)格劃分方案。

24、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，對所述數(shù)學物理模型進行自由度衰減試驗包括：

25、對所述數(shù)學物理模型進行垂蕩、橫搖和縱搖三個方向的自由衰減測試，并獲取自由衰減曲線。

26、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，獲取所述漂浮式風機平臺的固有周期包括：

27、基于所述自由衰減曲線獲取阻尼比ζ，所述阻尼比ζ通過公式計算得出，其中δ＝1/nln(z0/zn),z0是所述自由衰減曲線中的初始幅值，zn是第n個周期時的幅值；

28、基于所述自由衰減曲線和所述阻尼比，確定有阻尼時的固有頻率為ωd＝2π/td，無阻尼時的固有頻率為其中td為兩個峰值之間的時間間隔；

29、基于無阻尼時的固有頻率ωn，確定所述漂浮式風機平臺的固有周期為tn＝2π/ωn。

30、根據(jù)本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，獲取所述漂浮式風機平臺的阻尼系數(shù)包括：

31、基于無阻尼時的固有頻率ωn，確定所述漂浮式風機平臺的阻尼系數(shù)為c＝2(m+a)ωn，其中，m是平臺質量，a是附加質量。

32、本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：

33、本發(fā)明提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法，可將m種不同的垂蕩板的三維模型分別組裝至漂浮式風機平臺的三維模型上以生成m種試驗模型，每種試驗模型均基于cfd建立數(shù)學物理模型。對每個數(shù)學物理模型分別設計計算閾和邊界條件，并選擇湍流模型。并在每個數(shù)學物理模型區(qū)域附近進行網(wǎng)格加密，劃分不同網(wǎng)格并進行網(wǎng)格穩(wěn)定性驗證，確定網(wǎng)格劃分方案。對每個數(shù)學物理模型分別進行自由度衰減試驗，以獲取漂浮式風機平臺的固有周期和阻尼系數(shù)。最后確定漂浮式風機平臺的固有頻率遠離波浪激勵頻率且阻尼系數(shù)最大的垂蕩板為最優(yōu)方案。本發(fā)明基于cfd方法對垂蕩板進行選型，無需昂貴的成本，通過建立不同的垂蕩板模型，便可獲得精確的流場信息，有利于分析垂蕩板對平臺運動的影響機理，并可優(yōu)化結構設計。而且，本發(fā)明的垂蕩板選型方法，無需水池模型試驗，便可獲得平臺的水動力特性，為浮式風機選型服務，具有經(jīng)濟高效、精確靠的優(yōu)點。

34、附圖說明

35、為了更清楚地說明本發(fā)明或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

36、圖1是本發(fā)明一實施例提供的海上浮式風機垂蕩板選型方法的流程示意圖；

37、圖2是本發(fā)明一實施例提供的計算閾及邊界示意圖；

38、圖3是本發(fā)明一實施例提供的第一種垂蕩板的結構示意圖；

39、圖4是本發(fā)明一實施例提供的第二種垂蕩板的結構示意圖；

40、圖5是本發(fā)明一實施例提供的第三種垂蕩板的結構示意圖；

41、圖6是本發(fā)明一實施例提供的裝配有第一種垂蕩板的漂浮式風機平臺的試驗模型示意圖；

42、圖7是本發(fā)明一實施例提供的裝配有第二種垂蕩板的漂浮式風機平臺的試驗模型示意圖；

43、圖8是本發(fā)明一實施例提供的裝配有第三種垂蕩板的漂浮式風機平臺的試驗模型示意圖。