基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合数值模拟方法

doi:10.12096/j.2096-4528.pgt.22015

摘要/Abstract

摘要：

为研究海上风电机组在运行过程中的流场特性及流固耦合动力响应，引入海上风电机组整机系统一体化分析理念，提出基于浸入边界法的海上风电双向流固耦合运行过程模拟方法。其中，采用浸入边界法模拟了风机旋转引起的静动干涉问题，基于交错迭代法构建了适用于风电机组“风机-塔架-基础”一体化研究的双向流固耦合数值模拟方法。该方法能够真实反映海上风电机组的流固耦合效应，准确求解其动力响应。所采用的浸入边界法无需更新网格运动，能够高效求解风电机组叶片旋转引起的静动干涉问题。最后，将该方法应用于工程实践，模拟了某海上风电工程双向流固耦合运行全过程。

关键词: 海上风电, 双向流固耦合, 浸入边界法, 数值模拟

Abstract:

In order to study the flow field characteristics and dynamic fluid-structure interaction response of offshore wind turbine during operation process, the concept of integrated analysis of offshore wind power project was introduced and the simulation method for the integrated fluid-structure interaction operation process of offshore wind power was established based on the immersed boundary method. The stator-rotor interaction caused by the rotation of the fan was simulated by the immersed boundary method. With the alternating iteration method, a two-way fluid-structure interaction numerical method for the integrated research of offshore wind turbines “fan-tower-foundation” was presented. With the proposed method, the fluid-solid interaction effect of offshore wind turbine can be truly reflected and its dynamic response can be accurately solved. The immersed boundary method can effectively solve the stator-rotor interaction caused by fan rotation without updating the grid motion. Finally, the integrated fluid-structure interaction operation process of an offshore wind power project was simulated.

Key words: offshore wind power, two-way fluid-structure interaction, immersed boundary method, numerical simulation

中图分类号:

TK 83

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图/表 15

图1 整体模型示意图

Fig. 1 Schematic diagram of integrated model

图2 固体模型示意图

Fig. 2 Schematic diagram of solid model

表1 固体模型材料参数

Tab. 1 Material characteristics of solid model

参数

地基

混凝土承台(C40)

桩基

Q345

塔筒

Q355NC

图3 流体模型示意图

Fig. 3 Schematic diagram of fluid model

图4 边界条件示意图

Fig. 4 Schematic diagram of boundary conditions

图5 t=34 s时x向不同截面速度云图

Fig. 5 Velocity contour of different cross sections in x direction at t=34 s

图6 t=34 s时y向不同截面速度云图

Fig. 6 Velocity contour of different cross sections in y direction at t=34 s

图7 t=34 s时y=0 m截面压力云图

Fig. 7 Pressure contour of y=0 m cross section at t=34 s

图8 t=34 s时自由表面形态

Fig. 8 Profiles of free surface at t=34 s

图9 t=34 s时海上风电整机x向位移

Fig. 9 x-direction displacement of offshore wind turbine at t=34 s

图10 叶尖x向位移随时间变化曲线

Fig. 10 x-direction displacement curve of blade tip with time

图11 风机叶片迎风面第一主应力云图

Fig. 11 Contour diagram of the first principal stress on windward side of fan blade

图12 风机叶片迎风面第三主应力云图

Fig. 12 Contour diagram of the third principal stress on windward side of fan blade

图13 t=34 s时塔筒米塞斯应力云图

Fig. 13 Mises stress contour of tower at t=34 s

图14 t=34 s时桩基米塞斯应力云图

Fig. 14 Mises stress contour of pile foundation at t=34 s

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