海洋半潜式垂直轴风力机结构耦合动力效应和系统优化

Offshore floating wind turbine system is an important equipment for the development and utilization of marine wind energy. The semi-submersible vertical axis wind turbine (VAWT) system is an important form of floating wind turbine, facing two major problems such as "how to improve wind utilization efficiency of VAWT", and as "how to reveal the coupled dynamic responses of semi-submersible VAWT and it motion safety under extreme marine environment". This project aims at structural system optimization for wind energy and coupling dynamic characteristics of the semi-submersible VAWTs. By applying the methods of therotical modeling, numerical simulation, experimental verification, basic researches and applications will be carry out. The optimization method of the VAWT blade airfoil will be proposed. A integrated "rigid-elastic-flexible" mechanical model of the semi-submersible VAWT system will be established, while a high efficient numerical solution method will be developd which will be compared and verified with the experimental verification. Furter, the nonlinear dynamic mechanisms of the structure system under normal marine wind and wave condition, and the motion stability characteristics under the extreme marine wind and wave condition will be revealed. The research results of this project can provide theoretical and technical supports for the design and optimization of offshore floating wind turbine developments, and the improvement of marine wind energy utilization in China.

海洋浮式风力机系统是海洋风能开发利用的重要设备。海洋半潜式垂直轴风力机是海洋浮式风力机的一种重要形式，面临如何提高垂直轴风力机风能利用率、如何揭示半潜式垂直轴风力机耦合动力响应特性和极端海洋环境下的运动安全性两大难题。本项目针对半潜式垂直轴风力机的结构系统优化和一体化耦合动力效应特性问题，运用理论建模、数值计算、实验验证等方法开展应用基础研究，提出垂直轴风力机叶片翼型优化方法，建立半潜式垂直轴风力机结构系统“刚性-弹性-柔性”一体化耦合力学模型，发展高效数值求解方法并与实验验证对比，揭示常态海况风浪作用下结构系统的非线性动力特性与机理，阐述极端海况风浪作用下的运动稳定性特征。本项目研究成果可为我国海上浮式风力机开发设计和优化、提高海洋风能利用提供理论与技术支持。

面向海洋风能开发开发重大需求，采用结构风工程、水动力学、波浪理论、结构动力学等学科理论和技术方法，开展海洋半潜式垂直轴风力机的结构系统优化和耦合动力效应特性问题研究。面对“提高垂直轴风力机风能利用率”、“半潜式垂直轴风力机耦合动力响应特性和结构安全性” 两大难题，项目（1）在海洋短期风速时空特征的精准快速预报方面，提出了大数据驱动下的一维短期风速预测新技术，和基于深度学习的二维区域短期风速预测新技术；（2）在垂直轴风力机结构系统优化方法和新体系方面，提出了带有V形叶片的风力机结构模型，建立了基于机器学习概率模型的叶片翼型最大升阻比预测模型，发展了给定来风范围内φ型达里厄风力机结构形体优化方法，设计了可提升风力机发电效能的外设整流装置；（3）在海洋浮式垂直轴风力机的气动耦合建模与流场演化调控方面，建立了考虑平台复合运动的海洋浮式垂直轴风力机气动耦合模型，和停机状态时风力机的流固耦合力学模型，揭示了风力机的流场时空演化特征、风致结构动力响应规律、气动噪声特性和来风湍流强度影响规律；（4）在海洋半潜式垂直轴风力机结构系统的动力响应和运动稳定性方面，揭示了风浪流作用下海洋风力机半潜式平台的结构动力响应特征和四方柱浮筒的三维尾流场演化和转捩特性，建立了基于厚切片法的海洋浮式风机超细长系泊系统流致振动力学模型，提出了浮式垂直轴风力机的结构减振控制复合模型，和高运动稳定性的同轴对转式风力机新体系。研究成果可为我国海上浮式风力机开发设计和优化、提高海洋风能利用提供理论与技术支持。