פלטפורמות רוח מחווטות (FOWTs) מייצגות גבול קריטי באנרגיה מתחדשת, המאפשרות פריסה באתרי מים עמוקים שבהם טורבינות קבועות הן בלתי כלכליות או טכניות בלתי אפשריות.יציבותן של מבנים צפים אלה משפיע ישירות על פלט האנרגיה, עייפות מבנית ובטיחות תפעולית. החל עקרונות דינמיקות נוזליות - לעקוף מכניקת גל, אינטראקציות עכשוויות, עומסי אווירודינמיקה - מספקים את הבסיס לשיטות יציבות של מודלים יציבים וטכניקות יציבות אוויריות, וכן הלאה, המבוססות על פני השטח, אשר ממשיכות לשפר את הדינמיקה מעגליות, שיטות מורכבות, וטכניקות יציבות.

יסודות של Fluid Dynamics עבור Floating Offshore Wind Platforms

דינמיקת פלויד שולטת בכוחות ובתנועות שחווה אובייקט צף במים ובאוויר.עבור FOWT, שלוש סביבות הנוזל העיקריות הן גלי האוקיינוס, זרמי האוקיינוס, ורוח האטמוספרית.כל אחד מפעיל עומסים נפרדים שיש להבין ולצמצם.

המשוואות השולטות של תנועה נוזלית - משוואות Navier-Stokes - לתאר כמה לחץ, סטיות, ואינטראקציה אינרציה. בהנדסה מעשית, סימולציות כגון זרימה פוטנציאלית (הנחה של irrotational, inviscid Flow) ומשוואה של Morison (עבור חברים מזחליים) משמשים לעתים קרובות.

עומסי הגל שולטים בתגובה הדינמית של פלטפורמות צף.התאוריית הגל קואר (גלי אוויר) מספקת אפליקציה מסדרה ראשונה, אבל מדינות הים המציאותיות כרוכות בגלים לא סדירים, לא ליניאריים.עומסים הנוכחיים תורמים לכוח קבוע ויכולים להרגשת תנועות בתדר נמוך. עומסי הרוח פועלים על המגדל ומסתובבים, ומייצרים תנודות דחף קבועות ומטרידות שיכולים להיות עם פלטפורמה ושערות כיצד כוחות חיוניים לאנליזה זו.

יציבות פלטפורמה מתוארת לעתים קרובות במונחים של הידרוסטטים (גובה בוויצנטרי) ו הידרודינמיקה (מסה מזוקקת, קרינה לחות וכוחות דיג גל) עבור מערכות צף, מערכת ההנעה מספקת כוחות נוספים שחזור. דינמיקות פלויד עוזר למהנדסים למקם את הפרמטרים האלה במדויק באמצעות דינמיקת נוזל חישובית (CFD) ואפקטי גבול פוטנציאלי.

סוגים של Floating Offshore Wind Platforms ו- Fluid Dynamic Considerations

פלטפורמות רוח פלוגות מסווגות באופן רחב לארבעה סוגים עיקריים, כל אחד עם מאפיינים הידרודינמיקה נפרדים ואתגרי יציבות.

פלטפורמות ספאר

פלטפורמות ספאר מורכבות גליל ארוך, סלנדר עם טיוטה עמוקה, לעתים קרובות 100 מ ' או יותר, וכדור בתחתית כדי להוריד את מרכז הכבידה רחוק מתחת למרכז של buoyancy. עיצוב זה מספק יציבות סטטית מעולה וקט נמוך / ישב תדרים טבעיים.עם זאת, הטיוטה העמוקה הופכת אותם רגישים לגלים ארוכי טווח ותנועת vortex-s המושרה (Vid) עבור מחקרים נגד ריצוף מוקדם יותר מסלקציה, גם על ידי שימוש בלח.

פלטפורמות Semi-Submersible Platforms

סמי-סובמרנים בדרך כלל יש שלושה או ארבעה עמודים המחוברים על ידי פוניטוס, עם טיוטה רדודה יחסית לספארס.הם מסתמכים על שטח גדול של מטוס מים כדי להשיג יציבות. הטיוטה הנמוכה שלהם הופכת אותם מתאימים למגוון רחב של עומק מים, אבל הם רגישים יותר להפיכה על פני השטח, גם קרינת גלים- ⁇ יכולה להיות מופחתת על ידי כוונון הגיאומטריה ולהוסיף צלחות דינמיות.

Tension Leg Platforms (TLPs)

TLPs להשתמש הטיוטות אנכיות מתוחות על ידי עודף buoyancy, יצירת מערכת נוקשה מאוד.זה כמעט מבטל heave, המגרש, ותנועות רול, אבל עלייה ו sway תקופות טבעיות יכול להיות ארוך (60-100 s) אתגרים דינמיקת פלויד כוללים עייפות נוטה בשל עומסי גל ו vultexding.

Barge Platforms

פלטפורמות ברג-טיפוס הן פשוט, ארגזים מבולבלים עם שטח גדול של מטוס מים, המציעות טיוטה רדודה וקלות של ההרכבה.יציבות שלהם מגיעה בעיקר מגובה מטבולצנטרי גבוה, אבל הם חווים תנועות גדולות הנגרמות על ידי גל, במיוחד במגרש וגלגל.בגלל נפח ה-hull הגדול, כוחות הגלים גבוהים, ולחות הן נמוך אלא אם כן תכונות נוספות כגון bilgekeels או מיכלי מים רגילים, לעתים קרובות, הם זקוקים לפלטפורמות בקרה ירוקות (למשל, או צינורות) או לרקמות).

שיטות מתקדמות של Fluid Dynamics Modeling

תחזית מדויקת של יציבות פלטפורמה דורשת כלים מספריים מתוחכמת שלוכדים את ההפיכה בין אווירודינמיקה, הידרודינמיקה, דינמיקות מבניות ומערכות מחוסמות.

Fluid Dynamics (CFD)

(CFD) פותר את ה-RIS-Average Navier-Stokes (RANS) או סימולציה גדולה (NRs) כדי לפתור פרטים זרימה סביב ה-hll, נספחים, וקווים ממריצים.CD משמש כדי לקבוע את המגמות המסה, לחות קורטיאני, וריצה, כמו גם כדי ללמוד vultdinging ו לשפוך את האפקטים מדויקים של תהליך ה- VFreatives.

מודלים פוטנציאליים של זרימה

שיטות אלמנט מטושטשות (BEM) המבוססות על תורת זרימה פוטנציאלית משמשים נרחב בתעשייה עבור יעילותם.מודלים אלה מניחים זרימה בלתי רצויה, irrotational זרימה ויכולים לחדד כוחות גל, תוספת מסה, וקרינה לחות על טווח תדרים.הם משולבים עם משוואה של Morison כדי לקחת בחשבון עבור מול חברי מל"מ כמו WAMIT, AQ, ו-SAM לעתים קרובות לא יכול לחטוף אפקטים אלה.

מלא זוג Aero-Hydro-Hydro-Alastic Simulation

קודים מודרניים כגון:0 (OpenFASTFIRLT:1 ), HAWC2 (DTU), ו Bladed (DNV) מודלי אווירודינמיקה (BEM או CFD) עם מודלים הידרודינמיקה (זרימה מוגבלת + Morison) ודינמיקה מבנית (בסיס פינטארי או רב-body) כלים אלה מדמיינים את התגובה המלאה של מערכת הרוח, גלי זרם נוכחי, כולל פעולות מרשימות כגון סטיות, כגון קידוד, כגון קידוד, כגון סימולציה של סימפוניות, או קידוד (עמודי תיבות).

אסטרטגיות עיצוב חדשניות לשיפור יכולת

החלת תובנות דינמיקות נוזליות, מהנדסים פיתחו אסטרטגיות מרובות לשיפור יציבות הפלטפורמה הצף.

הידרודינמיקה שפינג ונספח

עיצוב קפדני של רכיבי ה-hull להפחית את הציטוט הגלים ולהגדיל את לחות. עבור ספאrs ו-submersibles למחצה, צלחות heave (לוחות הריסטונט בבסיס) להגדיל את המסה הנוספת ולחות ב heave. Bilge keels על barges ו-submersibles להגדיל את החצאית של הגלים או perforateds יכול לשבור את הפגזים בגל ולהפחית את הגלים.

מערכות בקרה Active control Systems

מערכות דינמיות (DP) משתמשות בדחפורים כדי למנוע סחף ותנועות נמוכות של קידוד, אבל הן אנרגיה-intensive. גישה יעילה יותר היא שליטה כדורית פעילה, שבו מים מובלים בין טנקים כדי להתאים את הגישה של הפלטפורמה. Tuned מטלית (TMDs) או מכוונן לחות נוזליים (TLDs) יכול להיות מותקן בתוך המגדל או hull כדי לספוג מחדש את לוחמת חשמל (Fericer) לשימוש באופן משמעותי.

מערכת Mooring Optimization

קווי מרינג מספקים את הכוח העיקרי של תנועות אופקיות.הבחירה של חומר (שרשרת סטרפל מול חבלים סינתטיים) ותצורה (קווים מנחים, טעו-לג, או היברידי) משפיעה הן התגובה סטטית ודינמית.חבל סינתטי מציעים משקל נמוך יותר וציות גבוהות יותר, צמצום עומסי שיא אבל הגדלת סיורים.

מכשירי דיסיפוציה של Wave Energy Dissipation

תכונות של hell חדשניות, כגון מסכים גל או קליפות חיצוניות מחוסל, יכול להתפזר אנרגיית גל לפני שהוא מגיע לפלטפורמה. מכשירים אלה להגדיל לחבק על ידי אילץ מים באמצעות פתחים צרים, המרת אנרגיית גל קינטית לתוך זעזוע. בעוד עיצובים כאלה נפוצים יותר בשברווטרים, הם מותאמים לפלטפורמות רוח צף כדי להפחית את המגרש ואת התגובות שלו בסערות.

רדיפת רדיקאלית וגמישות

מעבר לדינמיקה הנוזלית, יציבות דורשת גם עיצוב מבני חזק. קווים מתפתלים, תא מים ומערכות כדוריות חירום להבטיח שגם אם תת-מערכת אחת לא תכשל, הפלטפורמה נשארת יציבה.

מחקרים ופיתוח מחקר

כמה פרויקטים מסחריים והדגמה השתמשו בהצלחה בדינמיקה נוזלית כדי להשיג יציבות אמינה.

(FLT:0) Hywindische סקוטלנדFLT:1 (Equinor) היה החווה הראשונה בעולם צפה רוח, באמצעות פלטפורמות ספאר עם טיוטה עמוקה ושלוש שורות מחוסמות (CD) ובדיקות טנקים נעשו כדי לייעל את עיצוב הספאר ולאמת את תגובתו לתנאי הגל הצפוני.

(FLT:0)WindFloat AtlanticFLT:1 (Principle Power) משתמש פלטפורמה בעלת ערך למחצה עם שלושה עמודות ומערכת לוחיות לחות.העיצוב המשולב CFD אופטימיזציה של העמודה ספאק ולוחות heave כדי למזער תנועות ולאפשר את השימוש של טורבינות זמין מסחרית.הפלטפורמה השיגה יכולת של 95% במהלך השנים הראשונות שלה, בשל ביצועים יציבים.

(FLT:0)TetraSparofFLT:1 (Stiesdal Offshore) הוא פלטפורמה מודולרית דמוי קריסה המשתמשת עיצוב קל משקל עם מגדל מרכזי וכדורים. סימולציות פלויד עזרו לחדד את הצורה של הגל כדי להפחית עומסי הגל, ואת הפלטפורמה מיועדת לייצור המוני לא יעיל.

פרויקטים של מחקר במימון התוכנית של האיחוד האירופי Horizon 2020, כגון:0 (LIFES50+IRFLT:1), ערכו טנקים נרחבים של גל ומחקרי CFD כדי לפתח מושגים חדשניים של mooring ובקרה.

כיוונים עתידיים

הדור הבא של פלטפורמות רוח צפופות בחו"ל יהנה מהתקדמות מתמשכת בדינמיקה נוזלית.

(FLT:0) גנטיקה תאומים: FLT:1 ניטור בזמן אמת המשלב נתונים חיישן עם מודלים דינמיים נוזליים מופחתים סדר יאפשר למפעילים לחזות ולצמצם את בעיות היציבות לפני שהם מתרחשים. אלגוריתמי למידת מכונה המוכשרים על מסדי נתונים של CFD יכולים לספק תחזיות מהירות של עומסי גל ותגובה פלטפורמה.

(FLT:0) ללרגר טורבינים: FLT:1 כפי דירוג טורבינות עולה 15MW, את גודל הדחף והמגדל גדל. פלטפורמות פלורינג חייב בקנה מידה בהתאם, ודינמיקה נוזלית יהיה למלא תפקיד מפתח בקידוד ממדים של hull כדי להימנע מהדהד עם הרטטים מבניים נמוכים של טורבינת.

(FLT:0) ניצול חוות הרוח:FLT:1 אפקטים של טורבינות מרובות במערך יכול להשפיע על היציבות הכוללת של פלטפורמות downwind.זוגות סימולציות CFD בקנה מידה חקלאי מפותחים כדי להסביר אינטראקציות רוח-גל-הווה ברמת המערך.

(FLT:0) Extreme Event Resilience:FearLT:1 שינויי אקלים עשויים להגביר את גובה הגל ואת פונדקאות הסערה.מודלים של דינמיקה פלויד המשלבים גל לא ליניארי שבירת גלים ועומסי נפיחות יהיה חיוני לתכנון פלטפורמות שיכולות לשרוד 50 ו -100 שנים אחורה אירועים.

מסקנה

דינמיקת פלויד היא כלי חיוני לשיפור היציבות של פלטפורמות רוח צף.על ידי הבנה ומודל האינטראקציות בין גלים, זרמים, רוח, ואת הפלטפורמה עצמה, מהנדסים יכולים לעצב מבנים בטוחים, יעילים, וחסכוניים קיימא מבחינה כלכלית.מהבחירה של סוג הישלמה לאופטימיזציה של מערכות mooring ובקרות פעיל, כל היבט של עיצוב פלטפורמה צפה הוא הודיע על ידי דינמיקות מתמשכת ושיתוף פעולה אקדמי, להבטיח את הגוף הרגולטורי, כיבוד רוח תעשייתי, כיבוד אנרגיה מתחדשת משחק תפקיד מרכזי כדי לשנות את תפקוד אנרגיה מתחדשת.