浮式海上风电机组试验模型相似准则与风荷载模拟装置

李玉刚， 赵志峰， 任年鑫

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，深海工程研究中心，辽宁 大连 116024)



·实验技术·

浮式海上风电机组试验模型相似准则与风荷载模拟装置

李玉刚， 赵志峰， 任年鑫

(大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，深海工程研究中心，辽宁 大连 116024)

浮式海上风电机组(FOWT)作为一门新兴的前沿学科，相关研究强烈地依赖波浪水池模型试验，模型试验结果的准确性和可靠性不仅取决于模型本身能否反映实际结构的几何与力学特征，而且取决于试验环境能否重现自然的海洋环境。因此，当前适用于FOWT波浪水池模型试验的相似准则和风荷载模拟技术研究显得尤为重要，分别针对以上两方面内容阐述了当前国内外研究现状及存在的问题，为FOWT波浪水池模型试验提供有益的借鉴。

浮式海上风电机组； 模型试验； 相似准则； 风荷载

0 引 言

海上风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。当海水深度超过50 m时，浮式海上风电机组(FOWT)将具有更好的经济可行性[1]。目前，大功率风电机组和浮式平台是开发海上风能产业的两大技术趋势[2]。世界范围内适合发展FOWT的区域为：欧洲西海岸，地中海，北海深水区域，美国的东北和西海岸，亚洲(日本，中国，韩国)[3]，因此大力开发FOWT将具有广阔的应用前景。

FOWT作为一门新兴的前沿学科，相关研究强烈地依赖波浪水池模型试验，而模型试验结果的准确性和可靠性一方面取决于模型本身能否反映实际结构的几何与力学特征；另一方面也取决于试验环境能否重现自然的海洋环境。因此，当前适用于FOWT波浪水池模型试验的相似准则和风荷载模拟技术研究显得尤为重要。本文分别针对以上两方面内容阐述当前国内外研究现状及存在的问题，为FOWT波浪水池模型试验提供有益的借鉴。

1 FOWT试验模型相似准则

物理模型试验要满足几何相似、运动相似和动力相似，其中动力相似比较难于实现。对于海洋工程问题，流体通常会受到很多力的作用，理论上，物理模型试验应同时满足重力相似准则(Froude数相等)、黏滞力相似准则(雷诺数相等)、压力相似准则(欧拉数相等)、表面张力相似准则(韦伯数相等)、弹性力相似准则(柯西数相等)，但是要完全满足所有性质的力学相似是不可能的。通常都是根据具体的试验研究对象，选择合适的相似准则，以满足起主导地位的力的相似。

海洋工程如海洋平台波浪水池试验，Froude模型可以有效地表征波浪力学问题中主导因素——惯性力，因此普遍采用Froude数和严格的几何相似准则[4]，其保证了模型与原型之间的重力和惯性力的正确关系。

1.1 传统方法

对于FOWT，除了风电机组与风荷载，Froude模型表征了其他所有感兴趣的本质关系，这些直接影响浮式结构整体的水动力响应。而雷诺数模型一般用来开展空气动力学实验，对于承受巨大的波浪荷载的浮体结构如果采用雷诺数模型是不实际的。因此，迄今为止，FOWT模型试验[5-9]普遍沿袭了Froude相似准则及严格的几何相似准则。

对于一个自由面波的Froude数：

(1)

式中：C是波浪传播速度；g是重力加速度；l是特征长度。如果风电机组特征对雷诺数不敏感，通过遵循Froude相似准则，原型与模型中风荷载与波浪荷载的比值是保证不变的，

(2)

原型与模型的关系为：

Frp=Frm

(3)

式中，p和m分别代表了原型和模型。

需要注意的是，与海洋工程波浪-结构相互作用试验不同，Froude相似准则并不适用于风电机组性能试验(如变桨距、发电功率等特征)。

1.2 折中方法

外部荷载中风荷载所占比重很大，风荷载的正确模拟对FOWT物理模型试验的可靠性影响很大，如果风荷载也遵循Froude相似准则，即意味着原型与模型的风荷载为比尺的3次方关系，由于Froude比尺的叶片翼型将与原型处在完全不同的雷诺数区域，这必然使得气动荷载不能与目标匹配。为此，Tomoaki等[10-11]采用折中的办法分别以半潜式FOWT和张力腿FOWT为研究对象，风机模型等效为一个阻力板，阻力板固定在塔筒顶部，它的中心跟叶片中心对应(见图1)。而风机的气动荷载由简易造风装置或风洞模拟。

等效原则为：风轮旋转产生的推力T风机等于等效板面所受阻力T等效板与比尺λ的3次方乘积，具体表达式如下：

(4)

(5)

T风机=T等效板λ3

(6)

式中：CT为风机的推力系数；CD为等效板面的阻力系数；A风轮为旋转风轮扫略面积；A等效板为等效板面的面积；v原型和v模型分别为原型与模型风速。

对于CD，当等效板没有空隙时，取1.2；若有空隙时采用以下公式确定：

CD=1.2(1-β2)

(7)

β=A空隙/A总

(8)

式中：A空隙为空隙面积；A总为等效板总面积。

1.3 考虑叶片旋转与陀螺效应

由于上述阻力板等效模型本身是固定不动的，风机叶片的转动惯量不能被有效模拟，如果旋转的风轮沿着垂直于旋转轴的轴向旋转，则叶片在浮体上的转动惯量还会导致陀螺效应。例如，当叶片旋转时平台的偏航将导致一个横摇矩施加在塔顶。为了模拟该物理现象，可以将一个质量块加到一个旋转杆的端部以实现叶片的转动惯量，旋转杆由电机提供动力[12]，如图2所示。

图2 考虑叶片旋转与陀螺效应模型

1.4 基于Froude相似准则和功能相似的FOWT波水池试验模型设计方法

前述模型试验方法仅适用于模拟总的风机荷载，无法进一步开展风电机组控制行为(变速或变桨距等)对FOWT整体性能的影响试验，然而，Jonkman[13]的数值研究成果显示，风机控制行为对FOWT整体响应有重要的影响。Goupee等[7]针对3种浮式平台(半潜式，张力腿，SPAR)在MARIN海洋工程水池进行了全面的试验研究(NREL 5MW风机)，由于Reynolds数效应导致风机功率系数和推力系数偏低，为了获得合适的气动荷载，不得不施加更大的基于Froude相似的风荷载[14]，这显然是不理想的。一方面造风成本急剧攀升；另一方面更大的风荷载又必然导致对其他结构如塔筒和平台额外的作用[15]，最终使得模型风机的气动荷载与原型风机完全不匹配。为弥补以上不足，Matthew等[16]建立了基于Froude相似准则和功能相似的FOWT波水池试验模型相似准则，并在试验中得到了较为理想的结果，其优化数学模型为：①目标函数。模型风机与原型风机推力系数误差最小，模型风机与原型风机功率系数误差最小；②约束条件。叶片升力系数小于允许值，指定截面叶片扭转角与叶片弦长在运行范围内；③设计变量。指定截面叶片扭转角与叶片弦长在运行范围内；④优化算法。非经典优化算法，如遗传算法等，避免陷入局部最优解。

2 风荷载模拟装置

如何真实地重现海上风环境要素，对于提高实验研究的精度，有效揭示和掌握风荷载对FOWT作用的客观规律，综合分析和验证海洋复杂环境对FOWT的耦合作用机理具有重要的意义。

目前模型试验中风荷载的模拟有：①将风机作用效果等效为定常载荷(直接加力)；②简易风扇阵列；③高品质风洞；④改进的局部造风装置；⑤喷气装置。

2.1 风荷载作用效果等效为定常荷载[17]

该方法不能模拟风谱的变化引起荷载的波动特征，并且这种接触式加载方式影响浮式风机整体运动姿态(见图3)。

图3 风荷载作用效果等效为定常荷载

2.2 局部造风-简易风扇阵列

将多组轴流风扇放置在池边或固定在工作桥上，面对模型进行工作，往往产生稳态风荷载，但品质较差(湍流度大于10%)，由于巨大的风荷载扩散面，风谱的产生和控制是非常困难的(见图4)。

图4 简易风扇阵列[5，18]

2.3 整体造风——较高品质风洞

风洞是空气动力学试验中最广泛使用的工具，起先用于确定飞行器的气动布局和评估其气动性能等，现在风洞试验已经从航天领域推广至土木工程、海洋工程等领域，其主要用于对大气边界层的模拟。大气边界层风洞可以模拟出高质量的风场，体现在气流的稳定性、风速的均匀性和风向的均匀性方面，均能达到较高的精度。但是对于海洋工程的物理模型试验，风洞中风、浪、流经常同时出现，且风洞中造波机、池壁、拖车等设备干扰因素多，风场的品质比土木风洞稍差一些(湍流度一般小于2%)，且风场对波浪自由面产生影响而导致结构的动力响应失真。另外，风洞试验最大的问题是造价比较昂贵(见图5)。

图5 风洞[9，11]

2.4 改进的局部造风——增加整理装置

另一种局部造风方式是将离心风扇代替轴流风扇以避免产生混流而引起风场的不均匀性和高湍流度，多组风扇放置在波浪水池一边。利用通风管道将气流引导到模型附近，然后通过方形的扩散器连接各通风管道。该造风方式增加了风扇数量和造风有效空间，使得模型可以在更大尺度下进行试验，从而减小尺度效应。为了改善气流的品质，借鉴风洞设计思想，采用收缩段对风加速；采用蜂窝器用来降低气流的水平湍流度；采用整流网降低气流的纵向湍流度以及平均风速的均匀性，经过这些措施，其风场品质明显提高(湍流度小于3%)，且比风洞造价要便宜很多(见图6)。

图6 改进风扇[20]

2.5 喷嘴形式

刘坤宁等[21]提出一种新型风机荷载模拟装置，即采用气流喷射方法，基于反作用力的加载方式对浮式结构模型进行线力和力矩的模拟。该装置可以模拟更为重要的低频风荷载，将力时程直接加载到模型上而无需模拟风场，避免了模拟均匀风场的问题(见图7)。

图7 喷嘴

3 结 语

如何合理确定FOWT模型相似准则和真实重现海洋环境是决定试验研究成败的关键。本文结合国内外文献分别介绍了当前针对FOWT模型试验的相似准则研究方法，即：传统方法、折中方法、考虑叶片旋转与陀螺效应方法以及基于功能相似的方法等，以及风荷载的模拟方法，包括直接加力、简易风机阵列、风洞、改进方法、喷气法等。在此基础上，对各种方法的优缺点做了客观的评价，可以为FOWT及相关的海洋工程结构物理模型试验提供有益的借鉴和参考。

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Model Testing Scale Laws of Floating Offshore Wind Turbine and Wind Load Simulation Device

LIYu-gang,ZHAOZhi-feng,RENNian-xin

(Deepwater Engineering Research Center, State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

As a fledgling discipline, the related research of floating offshore wind turbine (FOWT) is strongly dependent on the model testing in wave tank, furthermore, the accuracy and reliability of model test not only depends on whether the model itself can reflect the geometric and mechanical characteristics of actual structure, but also depends on whether the test environment can reproduce the natural marine environment. Therefore, the applicable scale laws study on FOWT and the wind load reproduce skills is particularly important. In view of the current domestic and foreign research situation and the existing problems about the above two aspects, this paper provides a useful reference for FOWT wave model test.

floating offshore wind turbine (FOWT); model testing; scale laws; wind load

2015-05-04

国家自然科学基金资助(51409040)；高等学校博士学科点专项科研基金资助(20130041120048)；中央高校基本科研业务资助(DUT14RC(4)31)

李玉刚(1979-)，男，河北石家庄人，博士，工程师，从事深海试验技术与海上风能研究。E-mail：liyugang@dlut.edu.cn

U 661

A

1006-7167(2016)02-0004-04