DONG Energy(现为Ørsted)希望更好地了解海浪荷载对海上风力涡轮机地基的影响。为了帮助他们做到这一点,我们进行了物理模型测试,并使用OpenFOAM®进行数值模拟,分析波结构相互作用。DONG Energy将利用这些信息调整他们的设计工具,以实现更精确的预测。

挑战

  • 确定(以改进的精度)风力涡轮机基础上的波浪载荷,包括船坞结构。
  • 减少钢材消耗以降低成本
  • 改进基础结构的疲劳寿命设计

解决方案

在拖曳槽设施中进行综合物理模型测试活动,结合OpenFOAM®先进的数值模拟,研究各种海况下的波浪-结构相互作用。

结果

  • 改进了对与波运动行程和波传播方向有关的波-结构相互作用的理解。
  • 建立了二级结构气缸阻力、惯性和升力系数的设计图
  • 改进基础结构的疲劳寿命设计
  • 为DONG Energy提供了针对计算流体动力学(CFD)代码OpenFOAM®的模拟、波-结构相互作用的模型预测以及结构上的力响应的定制短期课程
  • DONG Energy获得了建立、执行和分析模型模拟的内部能力,以获得未来设计所需的内线和横流力系数

“综合的物理和数值模拟使详细的分析成为可能,为选择相关的波浪荷载以优化基础结构中的材料消耗提供了坚实的基础。”


芬恩博士Rüdinger
高级负载工程师,负载,空气动力学和控制
董能源(现Ørsted)


完整的故事

挑战

基础结构水动力荷载评估
与陆基风力涡轮机相比,海上风力涡轮机的高成本是海上风力产业的主要障碍。成本差异主要是由基础原理和运行维护造成的。因此,仔细考虑和评估基础结构上的水动力荷载是非常重要的。DONG能源公司建造了世界上超过三分之一的海上风电装机容量。随着欧盟(EU)国家努力实现欧盟2020年可再生能源目标,DONG energy希望:

  • 对附加二级结构的风力涡轮机基础上的水动力荷载有更好的理解
  • 改进现有的保守设计方法,减少基础中钢材的材料消耗

通过与DONG能源的密切合作,我们:

  • 通过物理模型试验,建立了二次结构基础的受力响应设计框图
  • 使用OpenFOAM®建立了一个计算流体动力学(CFD)模型,该模型能够模拟类似的流体动力强迫-我们使用实验活动中获得的结果验证了数值模型模拟
  • 交付了CFD模型,并为DONG Energy提供了一个短期课程,使他们能够执行和分析CFD模拟,以获得内联和横流力系数,用于未来的设计应用

模拟测试的WTG基础在不同波动状态下的流动加速度和偏差:带有次级结构的导管腿(左),带有次级结构的单桩的特写(中),以及单桩上次级结构的特写(右)。爱游戏优惠©济


解决方案

风力发电机组地基波浪荷载物理模型试验
这个项目需要建立一个健壮的,一致的,有效的实验物理模型设置。建立和验证数据基础和分析方法的过程由一家认证公司进行。

我们通过用普通圆柱体和不同表面粗糙度测试物理模型来实现这一点。物理模型的建立和过程得到的结果与已有的文献数据集吻合较好。

我们进行了广泛的实验活动,包括在模型圆筒上的波浪载荷和几种基础类型的二级结构,包括:


  • 单桩,带或不带二级船坞结构

  • 带或不带船坞结构的护套

实验方案包括下列各种环境条件:

  • 符合实践中所经历的海况

  • 考虑了WTG基础结构的方向相对于波浪运动的行程和主波方向

实验部分的重点是通过典型的Morison方法保持在结构上的直线力和横流力响应。波浪荷载在结构上的积分时间序列用表示阻力和惯量的力系数表示。

实验室中带有二次艇登陆结构的单桩基础(左)和现场带有二次艇登陆结构的单桩基础(右)。爱游戏优惠©济


WTG地基波浪荷载的数值模拟
对于项目的第二部分,我们利用了从实验程序中获得的知识和结果,并将它们放入一个数值框架中。在OpenFOAM中建立CFD模型,精确模拟结构单元周围的振荡流动,连续生成WTG基础结构受力响应的积分时间序列。

结合物理模型试验得到的时间序列分析,力时间序列用阻力系数和惯性系数表示。数值模拟结果与物理模型建立结果吻合较好。这使我们能够验证数值模型,该模型可用于扩大参数化实验方案的结果范围,并用于未来的海上WTG地基设计。

振荡流动中单桩结构的速度轮廓和流线实例。爱游戏优惠©济


结果

内部CFD模型模拟波浪载荷
对300多个试验的分析详细说明了周围的流动和WTG基础结构上的伴随力,可在Ørsted上获得。



减少化学剂量
由于实施了生物除磷,预计几乎完全减少(99%)的化学沉降剂量。

我们还进行了CFD模拟,并提供了波-结构相互作用的模型预测。这确保了Ørsted获得了建立、执行和分析模型模拟的内部能力。实验测试、CFD模拟和短期测试使Ørsted能够在明确定义的条件下研究流动。这些信息帮助他们了解如何调整或更换现有的设计工具,以便更准确地预测现场荷载,并支持基础结构疲劳设计寿命的评估。


关于客户

DONG Energy(现Ørsted)开发、建造和运营海上和陆上风力发电场、太阳能发电场、能源储存设施和生物能源工厂,并向客户提供能源产品。Ørsted在Corporate Knights发布的2020年全球100家最可持续发展企业指数中排名第一,并在CDP气候变化A榜单上被公认为气候行动的全球领导者。


案例故事-重点传单

海上风力涡轮机的水动力载荷

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