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漂浮式风电机组物理数值耦合模型风洞实验方法研究
摘要
随着全球能源转型的加速和海洋可再生能源开发的需求增加,漂浮式风电机组作为深海风电开发的关键技术,其复杂流固耦合特性成为研究热点。本研究针对漂浮式风电机组物理数值耦合模型的风洞实验方法进行了系统探索,提出了基于缩比模型的实验框架,并结合高精度数值模拟技术,实现了气动、水动及结构响应的多物理场耦合分析。通过理论建模与实验验证相结合的方式,本研究成功构建了1:50缩比的漂浮式风电机组模型,并在风洞环境中模拟了风浪联合作用下的动态响应。实验结果表明,缩比模型设计方法有效解决了尺度效应与相似准则的匹配问题,气动-结构-流体耦合实验系统实现了多场信息的实时同步采集,揭示了浮体运动与叶片气动载荷的动态耦合机制。通过自适应卡尔曼滤波算法的数据融合,叶片弯矩预测误差显著降低,为漂浮式风电机组的性能评估提供了可靠实验手段。研究还发现,浮体运动幅值与风速梯度存在非线性耦合关系,为气弹稳定性评估提供了新理论。本研究不仅拓展了风洞实验技术在漂浮式风电机组动力学研究中的应用,还为新型漂浮式基础结构的设计优化提供了重要参考,对于推动漂浮式风电技术从概念设计向工程应用转化具有重要意义。
关键词:漂浮式风电机组;物理数值耦合模型;风洞实验;多物理场耦合;动态响应特性
ABSTRACT
Withtheaccelerationofglobalenergytransitionandtheincreasingdemandformarinerenewableenergydevelopment,floatingwindturbines,asakeytechnologyfordeep-seawindpowerdevelopment,havebecomearesearchhotspotduetotheircomplexfluidstructurecouplingcharacteristics.Thisstudysystematicallyexploresthewindtunnelexperimentalmethodforthephysicalnumericalcouplingmodeloffloatingwindturbines,proposesanexperimentalframeworkbasedonscaledmodels,andcombineshigh-precisionnumericalsimulationtechnologytoachievemultiphysicsfieldcouplinganalysisofaerodynamic,hydrodynamic,andstructuralresponses.Bycombiningtheoreticalmodelingwithexperimentalverification,thisstudysuccessfullyconstructeda1:50scaledfloatingwindturbinemodelandsimulatedthedynamicresponseunderthecombinedactionofwindandwavesinawindtunnelenvironment.Theexperimentalresultsshowthatthescaledmodeldesignmethodeffectivelysolvesthematchingproblembetweenscaleeffectsandsimilaritycriteria.Theaerodynamicstructuralfluidcouplingexperimentalsystemachievesreal-timesynchronouscollectionofmultiplefieldinformation,revealingthedynamiccouplingmechanismbetweenfloatingbodymotionandbladeaerodynamicload.ThroughthedatafusionofadaptiveKalmanfilteringalgorithm,thepredictionerrorofbladebendingmomentissignificantlyreduced,providi
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