CN117291030A - 海上浮式风机混合模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
海上浮式风机混合模型试验装置及方法，属于海上风力发电领域，为了解决海上风机模型试验的比尺矛盾，难以高精度复现空气动力载荷的问题，要点是控制面板与电机连接；电机安装部安装螺旋桨，电机安装部成型为正六棱柱，且正六棱柱的每个侧棱安装一个螺旋桨，支撑臂支撑电机，通过支撑臂将电机安装在电机安装部；浮式平台支撑电机安装部及控制面板；试验水池承装水，浮式平台漂浮设置在试验水池的水面，试验水池中包括造波机；传感器包括第一传感器和第二传感器，效果是能够用于海上浮式风机混合模型试验。
Description
技术领域
本发明属于海上风力发电领域，具体涉及一种海上浮式风机混合模型试验装置及方法。
背景技术
海上风机走向深远海的过程导致更复杂和极端的海洋环境。为了更好地保证海上风机在使用寿命期间的结构完整性和运行的安全性，有必要加强对海上风机在复杂海洋环境中的结构性能和耦合机理的研究。数值模拟软件可用于计算海上风机上的复杂环境荷载。通常，使用叶素动量法来计算叶片上的空气动力载荷。波和浪引起的动力载荷用势流理论和莫里森方程计算。随着计算能力的提高和数值积分算法与控制等关键问题的突破，数值模拟结果的可靠性逐渐增强。然而，海上风机仍然需要进行物理模型试验，以校准数值模型中使用的参数，评估和验证海上风机当前设计的性能。与数值计算相比，海上风机模型试验更准确地反映了结构在风、浪环境下的动力响应。因此，许多数值计算需要以模型试验为基准进行检验。且模型试验更可控、方便、省时、经济。然而，在水池模型试验中，通常使用弗劳德缩放定律来维持重力与惯性力的比值。弗劳德缩放定律保证了自由表面上流体动力学的相似性，但针对空气载荷，由于雷诺数的减少，它会导致粘性效应的不匹配。尽管雷诺数在海上风机模型试验中经常被忽略，但空气动力的雷诺数的相关变化对海上风机试验提出了挑战，因为缩放后的粘性力在上部风机空气动力学中占主导地位。解决弗劳德缩放定律与雷诺数不兼容的一种解决方案是修改叶片设计，通过调整叶片的弦长和扭转角来开发低雷诺数翼型设计，以实现推力相似性。虽然这种方法可以减少弗劳德-雷诺数比尺矛盾，但叶片重新设计会导致一些缺陷，如空气动力扭矩不匹配等。
针对上述海上风机试验存在的比尺矛盾、湍流风载荷难以复现等难题，混合模型试验是一种有潜力且有效的方法。通常，数值模拟和物理模型试验是相互独立的。混合模型试验通过“硬件在环”方法将仿真输出结果应用于物理模型试验，使两个过程可以进行数据传输，从而大大提高了模型试验的效率和可靠性。
发明内容
为了解决海上风机试验存在的比尺矛盾、湍流风载荷难以复现等问题。
在第一方面，根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置，包括
螺旋桨，包括第一方向第一螺旋桨、第一方向第二螺旋桨、第一方向第三螺旋桨、第一方向第四螺旋桨、第二方向第一螺旋桨以及第二方向第二螺旋桨；
控制面板，所述控制面板与所述电机连接；
电机安装部，所述电机安装部安装所述螺旋桨，所述电机安装部成型为正六棱柱，且所述正六棱柱的每个侧棱安装一个所述螺旋桨，按照顺时针方向，所述正六棱柱依次安装所述第一方向第一螺旋桨、所述第一方向第二螺旋桨、所述第二方向第二螺旋桨、所述第一方向第三螺旋桨、所述第一方向第四螺旋桨、所述第二方向第一螺旋桨，其中，所述第一方向第一螺旋桨与所述第一方向第三螺旋桨相对设置，所述第一方向第二螺旋桨与所述第一方向第四螺旋桨相对设置，所述第二方向第一螺旋桨与所述第二方向第二螺旋桨相对设置，其中，所述第一方向为螺旋桨转轴轴向垂直所述正六棱柱的底面的方向，所述第二方向为螺旋桨转轴轴向垂直所述正六棱柱的侧面的方向，所述第一方向第一螺旋桨的旋转方向设置为逆时针旋转、第一方向第二螺旋桨的旋转方向设置为顺时针旋转、第一方向第三螺旋桨的旋转方向设置为逆时针旋转、第一方向第四螺旋桨的旋转方向设置为顺时针旋转；
上述相对位置设置，螺旋桨两个方向的设置，以及旋转方向设置的目的是为了相互抵消螺旋桨自身产生的力矩，较大程度避免试验过程中装置本身所产生的振动，增加了装置的结构强度。解决海上风机试验的比尺矛盾，湍流风载荷实现难题，高精度复现空气动力载荷。
支撑臂，所述支撑臂支撑所述电机，通过所述支撑臂将所述电机安装在所述电机安装部；
浮式平台，所述浮式平台支撑所述电机安装部及控制面板；
试验水池，所述试验水池承装水，所述浮式平台漂浮设置在所述试验水池的水面，所述试验水池中包括造波机；
传感器，包括第一传感器和第二传感器，第一传感器用于监测螺旋桨产生的空气动力载荷，第二传感器用于监测塔架顶部及浮式平台的自由度的运动。
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置，还包括并联环，各所述支撑臂通过所述并联环连结为正六边形状。
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置，所述浮式平台包括
塔架，支撑所述电机安装部；
立柱，包括中央立柱和分布在中央立柱周围的周边立柱，所述中央立柱支撑所述塔架；
浮筒，设置在立柱的底部，将中央立柱和周边立柱连接；
系泊系统，将浮筒与所述水池的底部系泊连接。
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置，
第一传感器，包括六分力传感器，安装在塔架的塔顶；
第二传感器，包括光学追踪系统，光学追踪系统包括CCD镜头和标识点，标识点分别设置在塔架的顶部以及立柱与塔架交界处，用于监测塔架的顶部的运动速度V1及浮式平台的自由度的运动。
在第二方面，根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，包括
在数值子结构中建立的风机叶片的数值模型，通过向仿真软件输入所需的系统参数，系统参数包括风场、湍流度，数值子结构通过系统参数设定得到入流风速V，根据入流风速V，基于叶素动量理论，计算得到当前时间步的叶片的空气动力载荷；
通过数据通信传输系统，将数值子结构计算得到的当前时间步的叶片的空气动力载荷通过空气动力载荷多通道分配，以电信号的方式发送控制面板；
控制面板向驱动器发送控制指令，通过电机驱动螺旋桨转动，使螺旋桨根据控制面板向驱动器发送的控制指令旋转，复现当前时间步的叶片的空气动力载荷；
在水池中通过造波机模拟海洋环境，包括规则波的模拟和/或不规则波的模拟，在水池中波的作用下，通过传感器实时监测螺旋桨的空气动力载荷以及浮式平台的运动；
以信号的形式将浮式平台的运动的响应传递仿真计算机的数值子结构中，浮式平台的运动的响应参与下一时间步的叶片的空气动力载荷的计算，叶片的空气动力载荷相当于螺旋桨的空气动力载荷。
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，数值子结构通过系统参数设定，基于叶素动量理论计算得到当前时间步的叶片的空气动力载荷，叶片的空气动力载荷包括转矩M、推力T、升力L和阻力D，基于如下方式得到：
转矩M、推力T、升力L和阻力D，计算公式如下：
式中：
ρ为空气密度，t为叶片的叶素弦长，CL为叶轮平面升力系数，V0为总相对速度，dr为叶片的叶素径向长度；
CD为叶轮平面阻力系数；
B为叶片数，CN为叶轮平面法向力系数；
CT为叶轮平面切向力系数；
其中：相对速度V0
式中，V为入流风速，vx0为给定的气流相对速度分解的平行于叶轮旋转面的分速度，给定的气流相对速度分解的垂直于叶轮旋转面的分速度vy0，Ω为叶轮转速，r为叶轮旋转面的半径，a为叶轮旋转面的轴向诱导因子，a'为叶轮旋转面的切向诱导因子；
其中：
由叶素理论及动量理论得出的空气动力载荷应当相等，得
式中，V1当前时间步产生的塔架的顶部的运动速度，σ为叶片实度，φ为气流相对速度与旋转平面的夹角：
根据式(4)-(8)得叶轮旋转面的轴向诱导因子a和切向诱导因子a'。
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其中，当前时间步产生的浮式平台的运动响应以及下一时间步的系统参数，输送至数值子结构中，参与下一时间步空气动力载荷的计算：
根据当前时间步产生的塔架的顶部的运动速度V1以及入流风速，得到考虑塔架运动后的入流相对风速V2：
V2＝V-V1 (9)
将入流相对风速V2作为下一时间步的入流风速V，带入式(2)中，计算下一时间步的空气动力载荷。
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其中，复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的空气动力载荷包括作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的x轴正向力Fx、作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的围绕x轴正向顺时针旋转的力矩Mx、作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的围绕y轴正向顺时针旋转的力矩My、作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的围绕z轴正向顺时针旋转的力矩Mz，作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的y轴正向力Fy；
其中，轴向向内垂直于六棱柱的底面是x轴正向，轴向向外垂直于六棱柱的底面是x轴负向，平行于六棱柱的底面的右向是y轴正向，平行于六棱柱的底面的左向是y轴负向，竖向垂直于x轴的向上是z轴正向，竖向垂直于x轴的向下是z轴负向；
式中，d为支撑臂的长度，第一方向第一螺旋桨、第一方向第二螺旋桨、第一方向第三螺旋桨、第一方向第四螺旋桨中的单个螺旋桨的力Ti表示为：
式中，cT为无量纲常数，为不同螺旋桨的角速度，i为螺旋桨的序号，i＝1表示第一方向第一螺旋桨，i＝2表示第一方向第二螺旋桨，i＝3表示第一方向第三螺旋桨，i＝4表示第一方向第四螺旋桨中的单个螺旋桨；
单个螺旋桨的扭矩表示为：
式中，cM为为无量纲常数；
i＝5表示第二方向第一螺旋桨以及i＝6表示第二方向第二螺旋桨，第二方向第一螺旋桨以及第二方向第二螺旋桨，的作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的空气动力载荷中的y轴正向力Fy表示为：
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，规则波的模拟包括以下步骤：
(a)根据造波机能产生规则波的频率上限，包括短周期的短波和频率下限，长周期的长波，在范围内等距分成10-12个造波的频率；
(b)计算各频率相应的规则波周期和波长；
(c)根据波高与波长之比，确定各频率相应的规则波的波高；
(d)对造波机的控制系统确定相应于各频率的摇板运动周期和振幅；
(e)在水池中对10-12个造波频率逐一模拟相应的规则波，模拟10-12个规则波，并以浪高仪测量所模拟规则波的时历曲线。
根据本申请的一些实施例的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，不规则波的模拟包括以下步骤：
(a)根据给定的条件，以给定的目标谱作为驱动谱生成驱动信号，产生造波机控制信号的时间序列，控制造波板的振幅与频率，在水池中产生不规则的波浪；
(b)采用浪高仪在试验持续时间内测量水池中不规则波的数据，进行谱分析后便得到模拟的波谱，如果模拟的波谱与给定的目标波谱之差超过阈值，修正控制信号的时间序列，重新造波；
(c)对谱迭代修正，更换给定的目标谱作为驱动谱生成驱动信号，重复步骤(a)-(b)，直至模拟的波谱与给定的目标波谱之差不超过阈值。
有益效果：
在第一方面，本发明的海上浮式风机混合模型试验装置和方法，能够复现海上浮式风机面临的复杂环境载荷，通过控制面板调整螺旋叶片对浮式风机物理子结构进行加载，实时模拟不同风速、风向、湍流度等。在水池中进行模型试验，实现了浮式风机在水面、风环境下的模拟，能够更全面和准确模拟海上浮式风机的运行状态，保证浮式风机模型试验真实可靠。
在第二方面，本发明能够实现湍流风载荷的复现，解决了现有弗劳德数与雷诺数相似准则不匹配、变速变桨控制难以准确复现等难题。
在第三方面，本发明的海上浮式风机混合模型试验装置包括实际物理模型和数值模拟子结构，由于上下结构尺度矛盾而无法在物理模型试验中复制或模拟的部分可以用数值子结构代替，从数值模拟中获得实时结果。
在第四方面，数值模拟中获得实时结果被转换为电信号并通过通信程序发送到控制软件，控制软件将电信号转换为命令信号并将其发送到加载系统，然后将仿真结果作用于物理模型。物理模型在加载装置或移动平台的作用下产生响应，通过在物理模型上安装传感器以获得所需的响应，并将监测的数据返回到数值子结构中，以便在下一个时间步中进行迭代计算，形成闭环。
在第五方面，本发明螺旋桨的相对位置设置，螺旋桨两个方向的设置，以及旋转方向设置能够相互抵消螺旋桨自身产生的力矩，高精度复现空气动力载荷。
在第六方面，通过数值子结构产生下一时间步的空气动力载荷，并传递给控制器产生下一时间步的力命令，以此循环往复，形成数据闭环，进而能够得到浮式风机在不同工况下的动力特性以及不同环境载荷的耦合作用规律。
附图说明
图1是本发明的试验装置及试验方法流程图。
图2是本发明的浮式海上风电机组的混合模型实验装置试验正视示意图。
图3是本发明的浮式海上风电机组的混合模型实验装置试验侧视示意图。
图4是水平轴风机叶片几何模型。
图5是叶片叶素单元受力图。
图6是稳态风数据结果对比图。
图7是湍流风数据结果对比图。
图8是螺旋桨复现气动载荷示意图。
图9是验证本装置的可行性与正确性结果对比图。
图中：1电机；2螺旋桨；3支撑臂；4并联环；5控制面板(包含信号收发器、电调)；6电池；7六分力传感器；8安装法兰；9塔架；10NDI光学追踪系统标识点；11浮式风机平台；12水池；13系泊系统。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面结合附图和技术方案，对发明作进一步说明。
混合模型试验的整个系统分为若干个实际物理模型和数值模拟子结构。一些由于上下结构尺度矛盾而无法在物理模型试验中复制或模拟的部分可以用数值子结构代替。从数值模拟中获得实时结果，这些结果被转换为电信号并通过通信程序发送到控制软件。控制软件将电信号转换为命令信号并将其发送到加载系统，然后将仿真结果作用于物理模型。物理模型在加载装置或移动平台的作用下产生响应。通过在物理模型上安装传感器以获得所需的响应，并将监测的数据返回到数值子结构中，以便在下一个时间步中进行迭代计算，形成闭环。混合模型试验方法可以有效解决海上风机物理模型试验中遇到的上部风机比尺与下部基础比尺不匹配的问题。因此，一种新型海上浮式风机混合模型试验装置及其试验方法，是我国海上风电开发的需求，是海上风电工程设计的技术支撑，其结果可为数值仿真修正提供参考，对海上风机设计和安全运行具有重要意义。
本发明的海上浮式风机混合模型试验装置及方法能够解决海上风机传统模型试验技术上存在的问题，能够复现海上浮式风机面临的复杂环境载荷，更准确模拟海上风机的运行状态及紧急停机等危险工况，保证对叶片、转速等不同控制策略的实施，提升浮式风机模型试验的准确性，为海上浮式风电开发提供理论与技术支持。
具体的，本发明的海上浮式风机混合模型试验装置的实验方法，主要包括以下步骤：
步骤1、数值子结构的开发，选用叶素动量法计算风载荷的Aerodyn程序作为数值子结构，该软件计算能力高，能够满足混合试验中的实时性要求。
步骤2、物理子结构的制作，综合考虑了原型几何尺寸和实验室条件因素，基于几何相似准则和弗劳德相似定律，采取的缩尺准则如表1所示，进而确定实时混合试验的缩尺比例。
表1基本参数的相似关系
在保证整个物理模型的柔性与惯性力的基础上，本发明设计并选用合适材料制作物理子结构，其中，浮式平台、塔筒由有机玻璃制作，并添加配重块匹配质量。锚链由钢链制作，并添加弹簧、配重块匹配锚链质量及回复力刚度。本发明装置整体结构采用碳钎维制作，也需要添加配重块匹配上部风机缩尺后的质量。
步骤3、通信传输系统开发，依据气动耦合理论，基于气动耦合分析理论，将每个时间步长的物理子结构运动响应经过通信传输系统返回给AeroDyn，参与相应时间步的空气动力学计算，获得改变转子相对风速后的空气动力载荷。为予以区分，将二次开发后的程序称为AeroDyn-UDP。
步骤4、混合试验系统搭建，将仿真机与控制器直接连接，将数值子结构计算的空气动力载荷转换为电信号发送给控制器，其中控制器集成在控制面板，控制器向驱动器发送控制指令，使混合试验装置在物理子结构上部复现空气动力载荷。
步骤5、海洋环境在水池中的模拟，包括规则波的模拟和不规则波的模拟，其中规则波的模拟思路包括以下子步骤：
(a)根据造波机能产生规则波的频率上限，即短周期的短波和频率下限，即长周期的长波，在此范围内等距分成10-12个造波的频率；
(b)计算各频率相应的规则波周期和波长；
(c)根据合适的波高与波长之比，确定各频率相应的规则波的波高；
(d)对造波机的控制系统确定相应于各频率的摇板运动周期和振幅；
(e)在水池中对10-12个造波频率逐一模拟相应的规则波，即总共需要模拟10-12个规则波，并以浪高仪测量所模拟规则波的时历曲线；
不规则波的模拟思路包括以下子步骤：
(a)根据给定的条件，应用计算机控制程序，产生造波机控制信号的时间序列，以此控制造波板的振幅与频率，从而在水池中产生不规则的波浪；
(b)采用浪高仪在试验持续时间内测量水池中不规则波的数据，进行谱分析后便得到模拟的波谱，如果模拟的波谱与给定的目标波谱差别较大，则应修正控制信号的时间序列，重新造波；
(c)谱的迭代修正，在不规则波的模拟过程中，第一次是以给定的目标谱作为驱动谱生成驱动信号，由此在水池中产生的不规则波的实测波谱。
步骤6、浮式风机运动响应的反馈，在水池波浪的作用下，通过传感器测量系统实时监测浮式风机物理模型的运动，以信号的形式将运动的响应传递仿真计算机。将反馈的运动量代入开发的数值子结构中，参与下一时间步空气动力载荷的计算，形成数据闭环。进而研究浮式风机在不同工况下的动力特性以及不同环境载荷的耦合作用规律。本发明试验流程如图1所示。
与现有技术相比，本发明能复现海上浮式风机叶轮所受到的风载荷。通过控制系统调整螺旋叶片对浮式风机物理子结构进行加载，实时模拟不同风速、风向、湍流度等。在水池中进行模型试验，实现了浮式风机在水面、风环境下的模拟，从而很好地模拟海上浮式风机的运行状态，保证浮式风机模型试验真实可靠。解决了传统试验高昂的造风成本问题、湍流风载荷难以复现问题、弗劳德数与雷诺数相似准则不匹配、变速变桨控制难以准确复现等难题。整个装置结构稳定，设计简单，安全性高。为海上浮式风电建设提供理论与技术支持。
如图1-3出示的本发明的一种海上浮式风机混合模型试验装置。
如图1所示，首先，在数值子结构中建立风机叶片的数值模型，通过向仿真软件输入所需的系统参数，如风场、湍流度等。对数值子结构中的模拟系统进行海上浮式风机在运行状态下的工作参数设定。数值子结构通过初始参数设定得到入流风速V，基于叶素动量理论计算得到这一时间步的空气动力载荷。
根据图4和5所示，给定的气流相对速度可分解为垂直于风轮旋转面的分速度vy0，以及平行于风轮旋转面的分速度vx0。
假设入流风速为V，则vx0及vy0可表达为
由式(1)，可得到总的相对速度V0为
式中，V为入流风速，vx0为给定的气流相对速度分解的平行于叶轮旋转面的分速度，给定的气流相对速度分解的垂直于叶轮旋转面的分速度vy0，Ω为叶轮转速，r为叶轮旋转面的半径，a为叶轮旋转面的轴向诱导因子，a'为叶轮旋转面的切向诱导因子。
气流相对速度与旋转平面的夹角为φ，夹角φ与桨距角β之差为叶片攻角α。
计算公式如下：
α＝φ-β
将风轮叶片沿展向分成独立的叶素单元，假设沿展向分布于叶片上的叶素之间的流场没有互相干扰，即假定叶素为独立的二维翼型单元。将作用于单个叶素上的力和力矩沿展向积分即可得到作用于叶片上的力和力矩，即作用于叶片上的空气动力荷载,当气流通过叶片时产生升力L和拖曳力D，两者产生的合力沿平行于风轮旋转面方向和垂直于风轮旋转面可分解为转矩M和沿转子轴向的推力T，其中M以及T为风机的主要荷载。其计算公式如下：
式中，ρ为空气密度，t为叶片的叶素弦长，CL为叶轮平面升力系数，V0为总相对速度，dr为叶片的叶素径向长度；CD为叶轮平面阻力系数；B为叶片数，CN为叶轮平面法向力系数；CT为叶轮平面切向力系数。
由叶素理论及动量理论得出的空气动力载荷应当相等，可得
式中，σ为叶片实度。依据上述公式求得叶轮旋转面的轴向诱导因子a和切向诱导因子a'后，即可求得作用在叶片上的空气动力载荷。
利用开发的数据通信传输系统，将数值子结构计算得到的空气动力载荷通过空气动力载荷多通道分配以电信号的方式发送给控制器系统。然后，由控制系统向混合实验装置发送这一时间步的控制指令，即所需复现的气动力命令，混合实验装置在力命令的作用下，通过电机驱动旋翼装置转动，进而调节旋翼不同的转速来复现气动力。其次，在水池实验室中，将多旋翼结构安装在浮式风机塔筒顶部，模拟风载荷，由水池实验室中的造波机按照发明内容中所述的造波原理与方法进行造波(可以制造规则波、不规则波、畸形波等)，模拟浮式风机在海洋环境所受的水动载荷。再次，海上浮式风机物理子结构会在空气动力载荷与水动载荷的联合作用下，产生运动响应。该运动响应由传感器监测系统进行监测，主要布置了两种监测传感器装置，一种为六分力传感器装置，主要监测所发明混合实验装置产生的载荷，研究该装置应用的可行性与准确性，安装位置在塔顶与电池装置中间，通过螺栓装置与电池下部结构进行链接，通过法兰装置与塔筒进行链接(参考图3)，另一种为NDI光学追踪系统，该装置的工作原理是通过三个精确标定好的一列CCD镜头，组成位移传感器，通过CCD分别从不同角度捕捉来自同一标识点所主动发出的红外光，通过相关计算分析，可以实时并精确捕捉到每个标识点在不同时刻的三维空间坐标，进而得到速度、加速度等信息。主要监测塔顶及浮式平台六个自由度的运动，研究混合模型试验的先进性与精确性。标识点安装在塔顶及浮式平台中间的立柱与塔筒连接位置处(参考图3)。
通过信号传输将监测系统测量的风机整体运动响应反馈到数值子结构所在计算机中，其中这一时间步产生的塔顶的运动响应、下一时间步的风场参数等数据将被代入空气动力载荷计算公式中，参与下一时间步空气动力载荷的计算。即，将这一时间步产生的塔顶运动速度V1代入到叶素动量理论中的入流风速V中，可得到考虑塔架运动后的入流相对风速V2为V2＝V-V1(8)
将V2作为入流风速V，代入到叶素动量，进行计算。
为了验证开发后的数值子结构可以将物理子结构运动响应量带入到空气载荷计算中，将开发的AeroDyn-UDP程序与国际可再生能源实验室最新的OC6项目中正在使用的AeroDyn程序做计算对比，该项目仿真采用的风机塔架、叶片等结构均为制定值，所以结果相对很小，故选择风速为4.19m/s的稳态风和湍流风，将塔架运动定义为正弦运动：X(t)＝A*sin(w*t)，A＝0.125，＝0.125,t为仿真时间。对计算的风机轮毂处水平方向推力结果进行对比，对比结果如图6、7所示。
由图6和7可知，在考虑塔架运动后的载荷计算结果与OC6项目结果吻合度良好，说明了所开发数值子结构AeroDyn-UDP的适用性与正确性。
最后，由数值子结构产生下一时间步的空气动力载荷，并传递给控制器产生下一时间步的力命令，以此循环往复，形成数据闭环。进而研究浮式风机在不同工况下的动力特性以及不同环境载荷的耦合作用规律。
如图1-3所示，一种海上浮式浮式风机混合模型试验装置，包括控制系统部分和实验物理模型部分，所述控制系统部分，包括螺旋桨、控制面板、电机安装部、电池、无刷电机、支撑臂、稳固并联环。
螺旋桨包括第一方向第一螺旋桨、第一方向第二螺旋桨、第一方向第三螺旋桨、第一方向第四螺旋桨、第二方向第一螺旋桨以及第二方向第二螺旋桨。
电机安装部可以形成为控制面板的壳体，成型为正六棱柱，且正六棱柱的每个侧棱安装一个螺旋桨，按照顺时针方向，正六棱柱依次安装第一方向第一螺旋桨、第一方向第二螺旋桨、第二方向第二螺旋桨、第一方向第三螺旋桨、第一方向第四螺旋桨、第二方向第一螺旋桨，其中，第一方向第一螺旋桨与第一方向第三螺旋桨相对设置，第一方向第二螺旋桨与第一方向第四螺旋桨相对设置，第二方向第一螺旋桨与第二方向第二螺旋桨相对设置，其中，第一方向为螺旋桨转轴轴向垂直正六棱柱的底面的方向，第二方向为螺旋桨转轴轴向垂直正六棱柱的侧面的方向，第一方向第一螺旋桨的旋转方向设置为逆时针旋转、第一方向第二螺旋桨的旋转方向设置为顺时针旋转、第一方向第三螺旋桨的旋转方向设置为逆时针旋转、第一方向第四螺旋桨的旋转方向设置为顺时针旋转。
通过控制系统接收控制器的空气载荷命令，来复现所需的气动力。其中，无刷电机与螺旋桨直接连接，用以控制螺旋桨产生气动力。将四个螺旋桨正面朝向-X方向进行安装，用以模拟空气动力载荷最重要的Fx、Mx、My、Mz四个方向的力(参考图2中的坐标系)。并将不同螺旋桨进行编号，对后续复现空气动力载荷进行说明，编号后的螺旋桨顺序如图8所示，图8中标注了不同螺旋桨的旋转方向。
螺旋桨在运行时，单个螺旋桨产生的力可以表示为：
式中，cT为无量纲常数，由实验测得，可直接购买专业动力系统测量装置RCbenchmark-15802进行测量；为不同螺旋桨的角速度，i为螺旋桨序号。
单个螺旋桨产生的扭矩可以表示为：
式中，cM为无量纲常数，由实验测得，可直接购买专业动力系统测量装置RCbenchmark-15802进行测量。
轴向向内垂直于六棱柱的底面是x轴正向，轴向向外垂直于六棱柱的底面是x轴负向，平行于六棱柱的底面的右向是y轴正向，平行于六棱柱的底面的左向是y轴负向，竖向垂直于x轴的向上是z轴正向，竖向垂直于x轴的向下是z轴负向。
由上述公式可得，作用在物理子结构(作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷)中的x轴正向力Fx可以表示为：
由上述公式可得，作用在物理子结构(作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷)中的围绕x轴正向顺时针旋转的力矩Mx、围绕y轴正向顺时针旋转的力矩My、围绕z轴正向顺时针旋转的力矩Mz可依次表示为：
式中，d为支撑臂的长度。
左右布置两个螺旋桨，一个正面朝向-Y方向，一个正面朝向Y方向，来模拟空气动力载荷中的y轴正向力Fy。Fy由5、6号旋翼产生的力做差来表示：
Fz在空气动力载荷中占比非常小，对海上风机结构影响很小。因此，依据上文按照傅劳德缩尺后的得到的风机机舱的重心，来调整本发明装置的重心与之匹配实现(由于本装置整机为碳钎维，质量很轻，因此可增加质量块进行调整)。
为了说明本装置复现力的效果，将本装置复现力与FAST仿真软件计算的海上风力机轮毂处水平推力结果做对比，验证本装置的可行性与正确性。结果对比如图9所示。
由图9可知，在额定风速(11.4m/s)下运行时，仿真软件计算最大推力为905.7kN，装置复现结果最大推力为898.59kN，两者误差-0.78％，FAST仿真软件计算最小推力为542.9kN，装置复现结果最小推力为546.61kN，两者误差0.68％。两者结果吻合良好，说明了本发明装置在复现空气动力载荷的优越性。
无刷电机通过支撑臂与控制面板连接，在控制面板上布置电机所需的电调，信号收发器等装置，用接收力命令，并对电机发送电信号，由电机控制螺旋桨的旋转速度即角速度来实现不同的力。并在六个支撑臂之间布置一个并联环装置，增加混合试验装置整体的稳定性。该装置的主要目的是用混合模型试验装置来模拟浮式风机上部的空气动力载荷，基于叶素动量理论结合气动耦合分析理论，得到浮式风机运动与空气动力载荷的关系，进而通过数值子结构计算获得改变转子相对风速后的空气动力载荷。按照所开发的数值子结构计算模型通过控制器发送命令，对发明的混合模型试验装置进行主动控制，从而复现浮式风机的运行环境。采用内外环的控制策略对混合试验装置进行控制，其中内环对该装置的扭矩进行控制，而外环对该装置的力进行控制。由内外环控制实现该装置的在多个自由度的载荷施加。针对所述控制模型，采用PID控制算法，通过优化PID控制算法中的比例系数、积分时间、微分时间三个参数，提高执行电机的载荷复现精度。根据所述混合试验装置时滞问题和跟踪精度的误差参数特性，建立误差估计和时滞补偿方法。该装置的误差主要包括：时滞、噪声。加载系统的时滞是系统的一种特性，其改变的前提是加载系统参数的变化，因此，通过识别系统参数就能有效捕捉到时滞的变化。传统时滞补偿方法往往假定试验中时滞不变。事实上，由于试件及伺服加载系统的非线性特征，实时混合试验过程中系统时滞往往是变化的。针对此问题，本装置采用基于模型参数识别的自适应时滞补偿方法，将伺服加载系统简化为离散模型，通过在线参数估计确定系统状态，从而对伺服系统进行在线时滞补偿。噪声一般属于高频信号，根据浮式风机响应频率范围，选择合适的低通滤波器，可减小噪声对运动跟踪误差的影响。
将整个混合模型试验装置安装在浮式风机塔筒顶部，设计并制作的浮式平台与系泊系统安装在试验水池中，由造波机推动水体产生的波浪及混合试验装置产生的空气动力载荷作用下。海上浮式风机产生运动响应。这一发明装置提供了更加准确的浮式风机运行环境载荷，避免了水池试验中气动力的尺度冲突，该装置以高保真度实时计算结果产生风机转子推力和塔顶力矩。能够研究海上浮式风机控制器策略及其对平台行为和风机性能的影响。可以精准体现浮式平台动力响应，特别关注非线性流体动力学效应。能够复现浮式风机系统的波浪-风载荷联合作用效果。并在模型尺度下对湍流风载荷进行很好的复现。此外，图1-3中浮式平台仅作示意，可设计并制作不同的浮式风机平台和系泊系统，以研究不同海上风机的稳性及动力特性。
以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种海上浮式风机混合模型试验装置，其特征在于，包括
螺旋桨，包括第一方向第一螺旋桨、第一方向第二螺旋桨、第一方向第三螺旋桨、第一方向第四螺旋桨、第二方向第一螺旋桨以及第二方向第二螺旋桨；
控制面板，所述控制面板与所述电机连接；
电机安装部，所述电机安装部安装所述螺旋桨，所述电机安装部成型为正六棱柱，且所述正六棱柱的每个侧棱安装一个所述螺旋桨，按照顺时针方向，所述正六棱柱依次安装所述第一方向第一螺旋桨、所述第一方向第二螺旋桨、所述第二方向第二螺旋桨、所述第一方向第三螺旋桨、所述第一方向第四螺旋桨、所述第二方向第一螺旋桨，其中，所述第一方向第一螺旋桨与所述第一方向第三螺旋桨相对设置，所述第一方向第二螺旋桨与所述第一方向第四螺旋桨相对设置，所述第二方向第一螺旋桨与所述第二方向第二螺旋桨相对设置，其中，所述第一方向为螺旋桨转轴轴向垂直所述正六棱柱的底面的方向，所述第二方向为螺旋桨转轴轴向垂直所述正六棱柱的侧面的方向，所述第一方向第一螺旋桨的旋转方向设置为逆时针旋转、第一方向第二螺旋桨的旋转方向设置为顺时针旋转、第一方向第三螺旋桨的旋转方向设置为逆时针旋转、第一方向第四螺旋桨的旋转方向设置为顺时针旋转；
支撑臂，所述支撑臂支撑所述电机，通过所述支撑臂将所述电机安装在所述电机安装部；
浮式平台，所述浮式平台支撑所述电机安装部及控制面板；
试验水池，所述试验水池承装水，所述浮式平台漂浮设置在所述试验水池的水面，所述试验水池中包括造波机；
传感器，包括第一传感器和第二传感器，第一传感器用于监测螺旋桨产生的空气动力载荷，第二传感器用于监测塔架顶部及浮式平台的自由度的运动。
2.根据权利要求1所述的海上浮式风机混合模型试验装置，其特征在于，还包括并联环，各所述支撑臂通过所述并联环连结为正六边形状。
3.根据权利要求1所述的海上浮式风机混合模型试验装置，其特征在于，所述浮式平台包括
塔架，支撑所述电机安装部；
立柱，包括中央立柱和分布在中央立柱周围的周边立柱，所述中央立柱支撑所述塔架；
浮筒，设置在立柱的底部，将中央立柱和周边立柱连接；
系泊系统，将浮筒与所述水池的底部系泊连接。
4.根据权利要求3所述的海上浮式风机混合模型试验装置，其特征在于，
第一传感器，包括六分力传感器，安装在塔架的塔顶；
第二传感器，包括光学追踪系统，光学追踪系统包括CCD镜头和标识点，标识点分别设置在塔架的顶部以及立柱与塔架交界处，用于监测塔架的顶部的运动速度V1及浮式平台的自由度的运动。
5.一种利用权利要求1-4任一项所述的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括
在数值子结构中建立的风机叶片的数值模型，通过向仿真软件输入所需的系统参数，系统参数包括风场、湍流度，数值子结构通过系统参数设定得到入流风速V，根据入流风速V，基于叶素动量理论，计算得到当前时间步的叶片的空气动力载荷；
通过数据通信传输系统，将数值子结构计算得到的当前时间步的叶片的空气动力载荷通过空气动力载荷多通道分配，以电信号的方式发送控制面板；
控制面板向驱动器发送控制指令，通过电机驱动螺旋桨转动，使螺旋桨根据控制面板向驱动器发送的控制指令旋转，复现当前时间步的叶片的空气动力载荷；
在水池中通过造波机模拟海洋环境，包括规则波的模拟和/或不规则波的模拟，在水池中波的作用下，通过传感器实时监测螺旋桨的空气动力载荷以及浮式平台的运动；
以信号的形式将浮式平台的运动的响应传递仿真计算机的数值子结构中，浮式平台的运动的响应参与下一时间步的叶片的空气动力载荷的计算，叶片的空气动力载荷相当于螺旋桨的空气动力载荷。
6.根据权利要求5所述的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其特征在于，数值子结构通过系统参数设定，基于叶素动量理论计算得到当前时间步的叶片的空气动力载荷，叶片的空气动力载荷包括转矩M、推力T、升力L和阻力D，基于如下方式得到：
转矩M、推力T、升力L和阻力D，计算公式如下：
式中：
ρ为空气密度，t为叶片的叶素弦长，CL为叶轮平面升力系数，V0为总相对速度，dr为叶片的叶素径向长度；
CD为叶轮平面阻力系数；
B为叶片数，CN为叶轮平面法向力系数；
CT为叶轮平面切向力系数；
其中：相对速度V0
式中，V为入流风速，vx0为给定的气流相对速度分解的平行于叶轮旋转面的分速度，给定的气流相对速度分解的垂直于叶轮旋转面的分速度vy0，Ω为叶轮转速，r为叶轮旋转面的半径，a为叶轮旋转面的轴向诱导因子，a'为叶轮旋转面的切向诱导因子；
其中：
由叶素理论及动量理论得出的空气动力载荷应当相等，得
式中，V1当前时间步产生的塔架的顶部的运动速度，σ为叶片实度，φ为气流相对速度与旋转平面的夹角：
根据式(4)-(8)得叶轮旋转面的轴向诱导因子a和切向诱导因子a'。
7.根据权利要求6所述的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其特征在于，其中，当前时间步产生的浮式平台的运动响应以及下一时间步的系统参数，输送至数值子结构中，参与下一时间步空气动力载荷的计算：
根据当前时间步产生的塔架的顶部的运动速度V1以及入流风速，得到考虑塔架运动后的入流相对风速V2：
V2＝V-V1 (9)
将入流相对风速V2作为下一时间步的入流风速V，带入式(2)中，计算下一时间步的空气动力载荷。
8.根据权利要求5所述的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其特征在于，其中，复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的空气动力载荷包括作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的x轴正向力Fx、作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的围绕x轴正向顺时针旋转的力矩Mx、作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的围绕y轴正向顺时针旋转的力矩My、作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的围绕z轴正向顺时针旋转的力矩Mz，作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的y轴正向力Fy；
其中，轴向向内垂直于六棱柱的底面是x轴正向，轴向向外垂直于六棱柱的底面是x轴负向，平行于六棱柱的底面的右向是y轴正向，平行于六棱柱的底面的左向是y轴负向，竖向垂直于x轴的向上是z轴正向，竖向垂直于x轴的向下是z轴负向；
式中，d为支撑臂的长度，第一方向第一螺旋桨、第一方向第二螺旋桨、第一方向第三螺旋桨、第一方向第四螺旋桨中的单个螺旋桨的力Ti表示为：
式中，cT为无量纲常数，为不同螺旋桨的角速度，i为螺旋桨的序号，i＝1表示第一方向第一螺旋桨，i＝2表示第一方向第二螺旋桨，i＝3表示第一方向第三螺旋桨，i＝4表示第一方向第四螺旋桨中的单个螺旋桨；
单个螺旋桨的扭矩表示为：
式中，cM为为无量纲常数；
i＝5表示第二方向第一螺旋桨以及i＝6表示第二方向第二螺旋桨，第二方向第一螺旋桨以及第二方向第二螺旋桨，的作用在塔架的顶部的复现当前时间步的叶片的空气动力载荷中的空气动力载荷中的y轴正向力Fy表示为：
9.根据权利要求5所述的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其特征在于，规则波的模拟包括以下步骤：
(a)根据造波机能产生规则波的频率上限，包括短周期的短波和频率下限，长周期的长波，在范围内等距分成10-12个造波的频率；
(b)计算各频率相应的规则波周期和波长；
(c)根据波高与波长之比，确定各频率相应的规则波的波高；
(d)对造波机的控制系统确定相应于各频率的摇板运动周期和振幅；
(e)在水池中对10-12个造波频率逐一模拟相应的规则波，模拟10-12个规则波，并以浪高仪测量所模拟规则波的时历曲线。
10.根据权利要求5所述的海上浮式风机混合模型试验装置的试验方法，其特征在于，不规则波的模拟包括以下步骤：
(a)根据给定的条件，以给定的目标谱作为驱动谱生成驱动信号，产生造波机控制信号的时间序列，控制造波板的振幅与频率，在水池中产生不规则的波浪；
(b)采用浪高仪在试验持续时间内测量水池中不规则波的数据，进行谱分析后便得到模拟的波谱，如果模拟的波谱与给定的目标波谱之差超过阈值，修正控制信号的时间序列，重新造波；
(c)对谱迭代修正，更换给定的目标谱作为驱动谱生成驱动信号，重复步骤(a)-(b)，直至模拟的波谱与给定的目标波谱之差不超过阈值。
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| Title |
|---|
| FU J 等: "Study on simulation of real-time hybrid model test for offshore wind turbines", EARTHQUAKE ENGINEERING AND RESILIENCE, 31 March 2023 (2023-03-31), pages 3 * |
| 付杰 等: "固定式海上风力机实时混合试验加载方式研究", 湖南大学学报（自然科学版）, vol. 50, no. 07, 31 July 2023 (2023-07-31) * |
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