DNV GL胡合文：飘浮式风机模型试验及验证
东方风力发电网 2020年10月15日 746
2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。 在15日上午召开的海上风电工程装备分论坛上，DNV GL 能源可再生能源认证载荷工程师胡合文发表《 飘浮式风机模型试验及验证》主题演讲。 
以下为发言实录： 胡合文：各位同行，各位专家，各位领导上午好！我来自DNW GL可再生能源工程认证工程师胡合文，今天分享飘浮式风机模型试验及验证相关内容。 首先简要介绍一下我们公司，我们公司大概有12000名员工，有150年历史，现在主要有五大业务，海事、油气、能源、管理服务、数字化方案，我是来自能源可再生能源认证这一块的。 关于可再生能源认证，我们公司在风机认证算是全行业比较领先的位置，在欧洲海上风电厂认证都是我们做的，市面上最大风机认证也是由我们进行的。在风电领域有二三十年的经验，20年左右项目和研究方面为行业做出了整套完整标准体系，漂浮式风机方面标准和文件主要有三个，第一是ICE—0422，这是关于飘浮式风机认证相关内容，第二ST—0119，关于飘浮式风机结构设计，比如浮体、控制器、锚电的设计。第三RP—0286，这主要是关于飘浮式风机耦合仿真方法和模型验证的内容，如果大家对飘浮式风机比较感兴趣可以引用ST—0119，以一套为主干引用相关专业的内容，可以作为比较完整规范系统的导入。 RP—0286飘浮式风机耦合分析，RP出来之前对于飘浮式风机耦合分析没有成体系指导性文件存在的，在2016年联合了13家单位，都是一些比较知名的研究机构、业主以及一些技术设计方，搞清楚耦合分析到底怎么操作，以及模型认证这块，把经验带到风机耦合分析带入飘浮式风机的领域。把成果转化形成了RP指导文件，RP主要包含内容是环境条件以及模型数字化建模、载荷工况的一些建立以及数据分析，控制器设计，最后一块是关于模型实验以及实验验证，今天分享一下关于模型实验以及相关验证这块。 前面两位专家对飘浮式风机进行了介绍，飘浮式风机我认为是非常复杂的一个系统，他所说环境载荷也是非常复杂的，受到风载荷和浪载荷的影响，结构也是非常复杂的，相比于陆上风机以及固定式基础的风机，有模型结构和浮体结构建模，还有锚电这块，动态压载建模也是比较复杂的。 整个动力响应也是非常复杂，浮体运动对风机运动性能和相关空气动力学产生一定影响，上面风机给浮体带来一些激励力，以及控制器阻尼。对于这么复杂的系统而且成本也是非常高的，如果对于一个新设计的话，新设计必须做够了足够认证以及验证之后，这样才能保证可靠性能以及安全性，所以模型实验是必不可少的步骤。 为什么进行模型实验非常复杂，我们进行耦合分析环境输入也是比较难处理的一块内容，模型实验最基本验证概念设计的可行性，可以获取水动力参数供我们在引用计算里面使用，可以验证飘浮式风机动态响应，是不是和之前预期是一样的，可以验证一下水动力性能特点，极限载荷和系统动态响应，因为我们对于飘浮式风机性能认识不是那么全面，根据现在认知没法遇到的现象也可以在实验中发现，避免在后面实际项目中出现一些问题。 实验面临一些挑战和限制，比较大的挑战是会有尺度效应，做实验的时候模型是缩比模型，会按照缩尺比进行缩小，如果大家对相关秩序了解的话就会知道，做缩比实验如果完全满足几何相似和运动性相似和动力学相似是不可能的，做实验根据主导收益情况选择一种相似的法则进行所必，根据相似原则算出各个物理变量的缩比尺度。选择福路德缩比法则带来雷诺数保证不了，如果以福路德数雷诺数小两个数量级，会导致浮体的连接力会失真，以及风机机头叶片速力也会有影响，因为叶片的速力有CD和CL连线力和惯线力保证的。 第二是风的生成，因为我们在实验室里面风速会根据缩比尺度进行缩比，造风矩阵生成风的质量也不是特别高，风速低导致实验室里流动对风造成一定影响，轴流风散产生了风。还有就是尺度的限制，模型尺度会有一定影响。 第三是重量限制，因为机头的重量是以缩尺比缩小之后非常小，在进行实践会加上一些相关传感器和电缆在上面，配上设备技术质量和实际理想质量也是有一定差别的。一些设备和驱熔器和执行机构，反正风机响应会有牵制和影响，控制系统要进行相应尺度参数调整，再一个比较大影响是模型精准度，关于质量重量重心分布和几何外形，这块做的和理论模型相似度、精准度不够的话，对于实验结果影响也是非常大的。最后是传感器和执行机构的精度。 我们进行模型试验之前，首先最重要的问题是选择合适的缩尺比，如果缩尺比选择比较大的话，会使得尺度效应非常严重，会严重影响实验结果的准确性，如果模型稍微大一点对于实验场地的要求有影响，经济性也是有影响的，所以要选择合适的缩比尺度，我们现在缩比尺度在50左右，缩尺比要进行综合考虑因素。 浮体建模这一块，一般是根据几何相似的原则直接进行缩比就可以，有时候需要考虑浮体的柔性，一般采用刚性的浮体就可以了。再就是风机建模这块，风机建模因为刚才谈到风机受力通过福鲁德雷诺数保证不了，通过等效方法根据实验目的以及项目进行的阶段，对风机的模型做一些等效的处理，主要有三种方法。 第一是被动的方法，对风机既做非常的简化，比如用一些金属线以及带孔的圆盘，对风机推力进行校准进行模拟，光对浮体运动响应这么做是可以的，比如说要模拟工况也是可以，非常大的局限性是扭力控制器控制不了，其他空气动力学效率是没法保证的，这块简化非常大。 第二种方法是实际把风机模型建出来，叶片和机头全部建出来，做出来像右下角的图，完整把风机模型建出来，但是如果把模型建出来雷诺系统效率考虑也是不足的，所以一般方法还是要调整一下叶片的设计，保证推力相似，还有一种方法是混合方法，在水池里面采用缩比模型，风机采用十尺度的风机在软件里进行模拟，把相关空气动力学的受力算出来之后通过执行机构或者是分散的喷管施压到实体上，这是一种耦合方法。 测试程序要根据风机浮体和工况要做测试，要把工况表先准备好，测试准备分三类，第一是关于浮体环境参数的校订，模型特征的记录，其中推力的校订，选择不同的风速点对风机的推力进行校准，还有关于整机结构性能这一块，要进行垂直实验测量塔架的频率，通过倾斜实验测量一下浮体横摇和纵摇的刚度，通过自由衰减实验测量一下自由衰减曲线，可以测运动周期以及阻尼，把前面这些准备工作环境校订以及模型参数获取之后我们就可以开始进行下一步的实验，单个环境操作下，风、流、浪进行整机模型实验，在流里实验一般拖液水池测量模型水中流利系数，波浪实验有规则波和不规则波以及其他相关波浪的测试，可以获得一些水动力参数，比如说IO辐射响应算子和二级函数传递内容。 第三在综合环境条件下进行测试，这里会有风浪叠加，风流、浪流叠加，以及风浪流全叠加的一些测试，包含了规则波、不规则波的测试，这里面就可以测得整个浮体响应以及受力，风机机头的位移受力都可以测出来，方便后面用来实验对比。这里需要考虑一点浪的方向性的问题，对于基础不是完全对称的基础，三个立柱半潜水基础，不同角度受到浪的力，不对称对于风机耦合影响非常大，都需要考虑进去。 其他方面是固定浮体测试以及强制振动一些测试，可以测出浮体相关水动力，比如说单频以及附加质量的信息。 前面一页是罗列所有测试项，根据测试目的可以有针对性选择一些测试项做一些实验，比如说想校核水动力参数这块，可以做静态拉通实验、自由衰减实验，以及在浪里面和流里面做一下相关实验即可。只想验证一下概念设计，我们也可以在其中选择一部分实验来进行，对于数字模型验证这一块内容做的稍微多一点，因为后面会涉及到风机在不同功耗下受力运动响应验证和对比。 最后一块内容是关于实验做完之后对理论模型用利润实验结果进行相应的校准、校核，拖液水池水动力技术可以运用计算模型里，模型实验值和计算值对比有一点需要注意，模型建造和建设过程中，一些物理特性理想缩比模型是不一样的，我们进行理论介绍实际对比的时候需要采用一个方法是叫做model of model，都是采用10尺度下的模型，10模型经过放大直接得到采用放大实验模型数据建一个数字模型，进行各种工况下的计算，和实验模型数据进行对比，这样可以排除实验误差带来的影响。 最后做一下总结，模型实验我们是非常推荐新的设计与成熟方案，有比较大的改动，这两类情况非常推荐做水测实验，以确保试验方案的可行性。 这里实验的种类跟你想模拟以及最看重哪一块内容有关系，你可以进行一些选择。 第三关于环境参数标定和模型自身特性一些测量之后的结果要做非常好的记录，对于以后数据分析非常有用，因为后面验证对比数据分析会做几个月以及大半年以上的时间。 第四相关内容在RP—0286里都有，大家有兴趣可以参考0286的规范。 谢谢大家！ （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）
以下为发言实录： 胡合文：各位同行，各位专家，各位领导上午好！我来自DNW GL可再生能源工程认证工程师胡合文，今天分享飘浮式风机模型试验及验证相关内容。 首先简要介绍一下我们公司，我们公司大概有12000名员工，有150年历史，现在主要有五大业务，海事、油气、能源、管理服务、数字化方案，我是来自能源可再生能源认证这一块的。 关于可再生能源认证，我们公司在风机认证算是全行业比较领先的位置，在欧洲海上风电厂认证都是我们做的，市面上最大风机认证也是由我们进行的。在风电领域有二三十年的经验，20年左右项目和研究方面为行业做出了整套完整标准体系，漂浮式风机方面标准和文件主要有三个，第一是ICE—0422，这是关于飘浮式风机认证相关内容，第二ST—0119，关于飘浮式风机结构设计，比如浮体、控制器、锚电的设计。第三RP—0286，这主要是关于飘浮式风机耦合仿真方法和模型验证的内容，如果大家对飘浮式风机比较感兴趣可以引用ST—0119，以一套为主干引用相关专业的内容，可以作为比较完整规范系统的导入。 RP—0286飘浮式风机耦合分析，RP出来之前对于飘浮式风机耦合分析没有成体系指导性文件存在的，在2016年联合了13家单位，都是一些比较知名的研究机构、业主以及一些技术设计方，搞清楚耦合分析到底怎么操作，以及模型认证这块，把经验带到风机耦合分析带入飘浮式风机的领域。把成果转化形成了RP指导文件，RP主要包含内容是环境条件以及模型数字化建模、载荷工况的一些建立以及数据分析，控制器设计，最后一块是关于模型实验以及实验验证，今天分享一下关于模型实验以及相关验证这块。 前面两位专家对飘浮式风机进行了介绍，飘浮式风机我认为是非常复杂的一个系统，他所说环境载荷也是非常复杂的，受到风载荷和浪载荷的影响，结构也是非常复杂的，相比于陆上风机以及固定式基础的风机，有模型结构和浮体结构建模，还有锚电这块，动态压载建模也是比较复杂的。 整个动力响应也是非常复杂，浮体运动对风机运动性能和相关空气动力学产生一定影响，上面风机给浮体带来一些激励力，以及控制器阻尼。对于这么复杂的系统而且成本也是非常高的，如果对于一个新设计的话，新设计必须做够了足够认证以及验证之后，这样才能保证可靠性能以及安全性，所以模型实验是必不可少的步骤。 为什么进行模型实验非常复杂，我们进行耦合分析环境输入也是比较难处理的一块内容，模型实验最基本验证概念设计的可行性，可以获取水动力参数供我们在引用计算里面使用，可以验证飘浮式风机动态响应，是不是和之前预期是一样的，可以验证一下水动力性能特点，极限载荷和系统动态响应，因为我们对于飘浮式风机性能认识不是那么全面，根据现在认知没法遇到的现象也可以在实验中发现，避免在后面实际项目中出现一些问题。 实验面临一些挑战和限制，比较大的挑战是会有尺度效应，做实验的时候模型是缩比模型，会按照缩尺比进行缩小，如果大家对相关秩序了解的话就会知道，做缩比实验如果完全满足几何相似和运动性相似和动力学相似是不可能的，做实验根据主导收益情况选择一种相似的法则进行所必，根据相似原则算出各个物理变量的缩比尺度。选择福路德缩比法则带来雷诺数保证不了，如果以福路德数雷诺数小两个数量级，会导致浮体的连接力会失真，以及风机机头叶片速力也会有影响，因为叶片的速力有CD和CL连线力和惯线力保证的。 第二是风的生成，因为我们在实验室里面风速会根据缩比尺度进行缩比，造风矩阵生成风的质量也不是特别高，风速低导致实验室里流动对风造成一定影响，轴流风散产生了风。还有就是尺度的限制，模型尺度会有一定影响。 第三是重量限制，因为机头的重量是以缩尺比缩小之后非常小，在进行实践会加上一些相关传感器和电缆在上面，配上设备技术质量和实际理想质量也是有一定差别的。一些设备和驱熔器和执行机构，反正风机响应会有牵制和影响，控制系统要进行相应尺度参数调整，再一个比较大影响是模型精准度，关于质量重量重心分布和几何外形，这块做的和理论模型相似度、精准度不够的话，对于实验结果影响也是非常大的。最后是传感器和执行机构的精度。 我们进行模型试验之前，首先最重要的问题是选择合适的缩尺比，如果缩尺比选择比较大的话，会使得尺度效应非常严重，会严重影响实验结果的准确性，如果模型稍微大一点对于实验场地的要求有影响，经济性也是有影响的，所以要选择合适的缩比尺度，我们现在缩比尺度在50左右，缩尺比要进行综合考虑因素。 浮体建模这一块，一般是根据几何相似的原则直接进行缩比就可以，有时候需要考虑浮体的柔性，一般采用刚性的浮体就可以了。再就是风机建模这块，风机建模因为刚才谈到风机受力通过福鲁德雷诺数保证不了，通过等效方法根据实验目的以及项目进行的阶段，对风机的模型做一些等效的处理，主要有三种方法。 第一是被动的方法，对风机既做非常的简化，比如用一些金属线以及带孔的圆盘，对风机推力进行校准进行模拟，光对浮体运动响应这么做是可以的，比如说要模拟工况也是可以，非常大的局限性是扭力控制器控制不了，其他空气动力学效率是没法保证的，这块简化非常大。 第二种方法是实际把风机模型建出来，叶片和机头全部建出来，做出来像右下角的图，完整把风机模型建出来，但是如果把模型建出来雷诺系统效率考虑也是不足的，所以一般方法还是要调整一下叶片的设计，保证推力相似，还有一种方法是混合方法，在水池里面采用缩比模型，风机采用十尺度的风机在软件里进行模拟，把相关空气动力学的受力算出来之后通过执行机构或者是分散的喷管施压到实体上，这是一种耦合方法。 测试程序要根据风机浮体和工况要做测试，要把工况表先准备好，测试准备分三类，第一是关于浮体环境参数的校订，模型特征的记录，其中推力的校订，选择不同的风速点对风机的推力进行校准，还有关于整机结构性能这一块，要进行垂直实验测量塔架的频率，通过倾斜实验测量一下浮体横摇和纵摇的刚度，通过自由衰减实验测量一下自由衰减曲线，可以测运动周期以及阻尼，把前面这些准备工作环境校订以及模型参数获取之后我们就可以开始进行下一步的实验，单个环境操作下，风、流、浪进行整机模型实验，在流里实验一般拖液水池测量模型水中流利系数，波浪实验有规则波和不规则波以及其他相关波浪的测试，可以获得一些水动力参数，比如说IO辐射响应算子和二级函数传递内容。 第三在综合环境条件下进行测试，这里会有风浪叠加，风流、浪流叠加，以及风浪流全叠加的一些测试，包含了规则波、不规则波的测试，这里面就可以测得整个浮体响应以及受力，风机机头的位移受力都可以测出来，方便后面用来实验对比。这里需要考虑一点浪的方向性的问题，对于基础不是完全对称的基础，三个立柱半潜水基础，不同角度受到浪的力，不对称对于风机耦合影响非常大，都需要考虑进去。 其他方面是固定浮体测试以及强制振动一些测试，可以测出浮体相关水动力，比如说单频以及附加质量的信息。 前面一页是罗列所有测试项，根据测试目的可以有针对性选择一些测试项做一些实验，比如说想校核水动力参数这块，可以做静态拉通实验、自由衰减实验，以及在浪里面和流里面做一下相关实验即可。只想验证一下概念设计，我们也可以在其中选择一部分实验来进行，对于数字模型验证这一块内容做的稍微多一点，因为后面会涉及到风机在不同功耗下受力运动响应验证和对比。 最后一块内容是关于实验做完之后对理论模型用利润实验结果进行相应的校准、校核，拖液水池水动力技术可以运用计算模型里，模型实验值和计算值对比有一点需要注意，模型建造和建设过程中，一些物理特性理想缩比模型是不一样的，我们进行理论介绍实际对比的时候需要采用一个方法是叫做model of model，都是采用10尺度下的模型，10模型经过放大直接得到采用放大实验模型数据建一个数字模型，进行各种工况下的计算，和实验模型数据进行对比，这样可以排除实验误差带来的影响。 最后做一下总结，模型实验我们是非常推荐新的设计与成熟方案，有比较大的改动，这两类情况非常推荐做水测实验，以确保试验方案的可行性。 这里实验的种类跟你想模拟以及最看重哪一块内容有关系，你可以进行一些选择。 第三关于环境参数标定和模型自身特性一些测量之后的结果要做非常好的记录，对于以后数据分析非常有用，因为后面验证对比数据分析会做几个月以及大半年以上的时间。 第四相关内容在RP—0286里都有，大家有兴趣可以参考0286的规范。 谢谢大家！ （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）