بررسي عددي نيروهاي هيدرواستاتيك و هيدروديناميك در اثر حركات انتقالي و دوراني بر رفتار ديناميكي توربين بادي شناور

Numerical Investigation of Hydrostatic and Hydrodynamic Forces from Translational and Rotational Motions of a Floating Wind Turbine

با توجه به بحران‌هاي پيش رو در خصوص استحصال انرژي و آلودگي‌هاي محيط‌ زيست توربين‌هاي بادي شناور مي‌توانند عملي‌ترين و اقتصادي‌ترين روش براي استخراج منابع عظيم انرژي باد فراساحلي در آب‌هاي عميق و عمق متوسط باشند. توربين‌هاي بادي شناور سازه‌هاي پيچيده‌اي هستند كه تحت اثر هم‌زمان تحريكات باد و موج قرار دارند. ديناميك سازه‌اي كوپل و معادلات پاسخ حركت اين توربين‌ها غيرخطي شدگي‌هاي هندسي ميان حركت‌هاي نسبي و سرعت‌ها را نشان مي‌دهد. توربين بادي شناور يك سيستم سازه‌اي مركب آيرو هايدرو-سرو-الاستيك هست؛ كه براي چنين سازه‌هايي مي‌بايست معادلات حركت غيرخطي كوپل شده با در نظر گرفتن نيروهاي تحريك و ميرايي غيرخطي شامل تمام اثرات ناشي از باد و موج در حوزۀ زمان حل شوند. در پژوهش حاضر، آناليز پاسخ‌هاي حركت براي شرايط عملياتي حركات انتقالي و دوراني به‌منظور بررسي عملكرد و پايداري سازه‌اي توربين بادي شناور اسپار تحت نيروهاي شناوري و هيدروديناميك امواج موردبررسي قرار گرفته است. در اين راستا اقدام به توسعه مدل عددي با استفاده از نرم‌افزار متلب گرديد. پيش از انجام شبيه‌سازي ديناميكي توربين بادي شناور موردبررسي در اين پژوهش به صحت‌سنجي مدول‌هاي موجود در مدل پرداخته مي‌شود. درنهايت نتايج به‌دست‌آمده در حوزۀ زمان ارائه شده‌اند نتايج به‌دست‌آمده نشان مي‌دهند در حركات انتقالي، بيشترين و كمترين ميزان نيروي شناوري به ترتيب در جهت‌هاي عمودي و عرضي و بيشترين و كمترين ميزان نيروي هيدروديناميك به ترتيب در جهت‌هاي طولي و عرضي بوده است. همچنين در حركات دوراني، بيشترين و كمترين ميزان نيروي شناوري به ترتيب در جهت‌هاي طولي و عمودي و حداكثر و حداقل ميزان نيروي هيدروديناميك به ترتيب در جهت‌هاي عمودي و عرضي بوده است. بررسي كمّي نتايج به‌دست‌آمده نشان مي‌دهد، مقدار نيروي شناوري در راستاي محور X حداقل 16000- كيلونيوتن و حداكثر 500كيلو نيوتن در راستاي محور حداقل 50-كيلونيوتن و حداكثر 550كيلونيوتن و در راستاي محور 82000 كيلونيوتن و حداكثر 7800 كيلونيوتن بوده است. همچنين مقدار نيروي هيدروديناميك در راستاي محور حداقل 350- كيلونيوتن و حداكثر 350 كيلونيوتن در راستاي محور حداقل صفر و حداكثر 2/6 نيوتن و در راستاي محور حداقل صفر و حداكثر 260 كيلونيوتن بوده است.

Due to the forthcoming crisis for the extraction of energy as well as environmental pollution, floating offshore wind turbines (FOWT) can be the most practical and economic way to extract offshore wind energy resources in the deep waters of intermediate depth. FOWTs are a complex system that are under simultaneous effect of movements resulting from wind and sea waves. Coupled dynamic structures and motion response equations of these turbines show geometric non-linearities between relative forces and speeds. Floating wind turbine is a compound Aero-Hydro-Servo-Elastic system, for which coupled nonlinear motion equations must be designed taking into consideration movement forces and nonlinear damping involving all effects of wind and waves on time lapse. In the present study motion response for operation conditions in translational and rotational motions were analyzed to investigate functionality and structural stability of floating offshore wind turbine under buoyancy and Hydrodynamics forces. For this, a numerical model was developed in MATLAB software. Before dynamic simulation of the FOWT under study, present modules in the model were verified. Finally the obtained results were presented in time domain. The extracted results show that in translational motions, the maximum and minimum of buoyancy forces are in length and width directions respectively and maximum and minimum of Hydrodynamic forces values are in surge and sway directions respectively. Also, in rotational motions maximum and minimum of Buoyancy forces are in length and vertical directions respectively and maximum and minimum of the Hydrodynamic forces are in vertical and width directions respectively.