Respuestas Hidrodinámicas de una Turbina Eólica Flotante Tipo Spar de 6 MW en Olas Regulares y Corriente Uniforme
Autores: Zheng, Zhiping; Chen, Jikang; Liang, Hui; Zhao, Yongsheng; Shao, Yanlin
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2020
Acceso abierto
Artículo científico
2020
Respuestas Hidrodinámicas de una Turbina Eólica Flotante Tipo Spar de 6 MW en Olas Regulares y Corriente Uniforme
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Rendimiento hidrodinámico
Turbinas eólicas flotantes tipo spar
Interacción ola-corriente-estructura
Teoría del flujo potencial
Método de perturbación
Método de Elementos de Frontera
Licencia
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Para mejorar la comprensión de las prestaciones hidrodinámicas de las turbinas eólicas flotantes tipo spar (FOWTs), en particular el efecto de la interacción ola-corriente-estructura, se considera una FOWT tipo spar de 6MW anclada en olas regulares y corriente uniforme. Las cargas del viento no se consideran en esta etapa. Aplicamos la teoría de flujo potencial y el método de perturbación para resolver el problema débilmente no lineal hasta el segundo orden. A diferencia de las formulaciones convencionales en el marco de referencia inercial, que implican derivadas de orden superior en la superficie del cuerpo, el método presente basado en el método de perturbación en el sistema de coordenadas no inercial fijado al cuerpo puede evitar potencialmente la inconsistencia teórica en bordes afilados y las dificultades numéricas asociadas. Se emplea un Método de Elementos de Frontera (BEM) cúbico para resolver los problemas de valor en la frontera (BVPs) resultantes en el dominio del tiempo. Los términos convectivos en las condiciones de superficie libre se manejan utilizando un esquema explícito condicionalmente estable recién desarrollado, que es una aproximación del esquema implícito de Crank-Nicolson. El modelo numérico se verifica primero contra tres casos de referencia, donde están disponibles resultados de referencia, mostrando una excelente concordancia. Los resultados numéricos también se comparan con una prueba de modelo reciente, con una concordancia bastante buena aunque se observan diferencias. Las cargas de arrastre basadas en la ecuación de Morison y las velocidades relativas también se aplican para cuantificar la influencia de las cargas viscosas. Para tener en cuenta las fuerzas restauradoras no lineales del sistema de amarre, se implementa un modelo de línea catenaria y se acopla con el solucionador hidrodinámico en el dominio del tiempo. Para la FOWT tipo spar considerada en condiciones de ola y corriente regulares, la corriente tiene efectos no despreciables en los movimientos a bajas frecuencias, y una fuerte influencia en las fuerzas de deriva media. Se encuentra que las respuestas de suma de frecuencia de segundo orden son insignificantes en comparación con sus componentes lineales correspondientes. Las cargas de arrastre viscosas no muestran una fuerte influencia en las respuestas de movimiento, mientras que su contribución a las fuerzas de deriva de ola es notable, aumentando con el aumento de la inclinación de la ola.
Descripción
Para mejorar la comprensión de las prestaciones hidrodinámicas de las turbinas eólicas flotantes tipo spar (FOWTs), en particular el efecto de la interacción ola-corriente-estructura, se considera una FOWT tipo spar de 6MW anclada en olas regulares y corriente uniforme. Las cargas del viento no se consideran en esta etapa. Aplicamos la teoría de flujo potencial y el método de perturbación para resolver el problema débilmente no lineal hasta el segundo orden. A diferencia de las formulaciones convencionales en el marco de referencia inercial, que implican derivadas de orden superior en la superficie del cuerpo, el método presente basado en el método de perturbación en el sistema de coordenadas no inercial fijado al cuerpo puede evitar potencialmente la inconsistencia teórica en bordes afilados y las dificultades numéricas asociadas. Se emplea un Método de Elementos de Frontera (BEM) cúbico para resolver los problemas de valor en la frontera (BVPs) resultantes en el dominio del tiempo. Los términos convectivos en las condiciones de superficie libre se manejan utilizando un esquema explícito condicionalmente estable recién desarrollado, que es una aproximación del esquema implícito de Crank-Nicolson. El modelo numérico se verifica primero contra tres casos de referencia, donde están disponibles resultados de referencia, mostrando una excelente concordancia. Los resultados numéricos también se comparan con una prueba de modelo reciente, con una concordancia bastante buena aunque se observan diferencias. Las cargas de arrastre basadas en la ecuación de Morison y las velocidades relativas también se aplican para cuantificar la influencia de las cargas viscosas. Para tener en cuenta las fuerzas restauradoras no lineales del sistema de amarre, se implementa un modelo de línea catenaria y se acopla con el solucionador hidrodinámico en el dominio del tiempo. Para la FOWT tipo spar considerada en condiciones de ola y corriente regulares, la corriente tiene efectos no despreciables en los movimientos a bajas frecuencias, y una fuerte influencia en las fuerzas de deriva media. Se encuentra que las respuestas de suma de frecuencia de segundo orden son insignificantes en comparación con sus componentes lineales correspondientes. Las cargas de arrastre viscosas no muestran una fuerte influencia en las respuestas de movimiento, mientras que su contribución a las fuerzas de deriva de ola es notable, aumentando con el aumento de la inclinación de la ola.