双转子浮式海上风机气动-水动力全耦合分析及其尾流特性研究

《Ocean Engineering》：Fully coupled aero-hydrodynamic analysis of a twin-rotor floating offshore wind turbine

本文推荐一篇关于双转子浮式海上风机（FOWT）气动-水动力全耦合分析的研究。该研究通过数值模拟（CFD）方法，深入探讨了平台在风浪激励下的运动（包括完全固定、仅纵荡和完全自由等工况）对双转子FOWT气动性能（如推力、功率）和尾流特性（如速度亏损、湍动能TKE）的影响。研究结果表明，平台运动（尤其是完全自由运动）能显著加速尾流恢复，并揭示仅考虑单一自由度运动会夸大尾流的负面影响。这项工作为多转子FOWT的尾流控制和风电场布局优化提供了重要见解。

　　

Highlight

Governing equations

入流风通常被视为不可压缩流体。雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法中的连续性方程和动量方程表述如下：

?ū_i/?x_i= 0

ρ (?ū_i/?t + u_j?u_i/?x_j) = -?p?/?x_i+ μ ?/?x_j(?ū_i/?x_j+ ?ū_j/?x_i) + ?τ_ij/?x_j

τ_ij= -ρ u′_iu′_j

-ρ? u′_iu′_j= μ_i(?ū_i/?x_j+ ?ū_j/?x_i) - 2/3 μ_t?ū_z/?x_zδ_ij- 2/3 ρ k δ_ij

其中 ū_i是时间平均速度；t 是时间；ρ 是空气密度；p? 是平均压力；μ 是分子动力粘度；μ_t是湍流粘度。

Twin-rotor floating offshore wind turbine model

本研究提出了一种由两台5 MW风力发电机和一个半潜式平台组成的10 MW双转子浮式海上风机（FOWT）设计概念。图2展示了双转子FOWT的示意图。该设计概念采用具有四个立柱的OO-Star半潜式平台作为支撑结构。平台的设计水深为130米。选择NREL 5 MW风力发电机，将其刚性连接到平台的过渡结构上。

Results and discussions

在本研究中，使用速度为11.4 m/s的稳定风作为运行工况。采用五阶斯托克斯波理论模拟波高为7.58米、周期为12.1秒的规则波。在本小节中，将分析平台运动对双转子FOWT气动性能和尾流特性的影响，重点关注转子的推力和功率、尾流速度亏损和湍动能（TKE）的变化。

Conclusions and future recommendations

为了研究平台运动影响下的双转子浮式海上风机（FOWT）的气动性能和尾流特性，本研究采用VOF（流体体积法）方法模拟气动-水动力耦合效应。分别获得了平台完全固定、仅纵荡运动 enabled 和完全自由状态下的双转子FOWT的尾流特性，并与完全固定的单转子模型的结果进行了比较，以分析两个转子尾流之间的相互作用效应。以下是主要结论。