劉浩學(xué),溫斌榮,魏漢迪,汪學(xué)鋒,彭志科,田新亮
(上海交通大學(xué)a.海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同中心;c.機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200240)
海上風(fēng)能是一種清潔的可再生能源,其中高質(zhì)量的風(fēng)能資源主要集中在深海區(qū)域。當(dāng)水深超過50 m時(shí),海上浮式風(fēng)機(jī)具有更好的經(jīng)濟(jì)性[1]。近年來,世界各研究機(jī)構(gòu)和風(fēng)電企業(yè)均加快了對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)的研制。浮式風(fēng)機(jī)同時(shí)經(jīng)受風(fēng)載荷、波浪載荷、流載荷和其他各種載荷的聯(lián)合作用,掌握浮式風(fēng)機(jī)在不同環(huán)境條件下的響應(yīng)情況至關(guān)重要。數(shù)值仿真可以簡(jiǎn)潔、高效地求解浮式風(fēng)機(jī)耦合動(dòng)力學(xué)響應(yīng),但其計(jì)算結(jié)果的合理性和有效性仍然需要模型試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證[2]。水池模型試驗(yàn)是研究浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能的重要途徑,然而,開展浮式風(fēng)機(jī)的水池風(fēng)浪聯(lián)合模型試驗(yàn)存在以下困難和缺點(diǎn):①浮式風(fēng)機(jī)同時(shí)受到較大風(fēng)載荷和波浪載荷的聯(lián)合作用,在水池實(shí)驗(yàn)室難以同時(shí)高質(zhì)量地重現(xiàn)兩種載荷,降低了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性;② 進(jìn)行縮尺試驗(yàn)時(shí),雷諾數(shù)相似和弗勞德數(shù)相似不能同時(shí)實(shí)現(xiàn),這將帶來動(dòng)力特性的不匹配[3];③ 隨著對(duì)浮式風(fēng)機(jī)控制策略、發(fā)電功率、葉片工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)等研究的深入,需要部署更多的設(shè)備和線纜,然而水池模型試驗(yàn)縮比定律對(duì)風(fēng)機(jī)的重量有著嚴(yán)格的要求[4];④ 水池試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的物力、財(cái)力,經(jīng)濟(jì)性有待提高。
為克服浮式風(fēng)機(jī)水池試驗(yàn)的局限性,近年來,一種新型的數(shù)值仿真和模型試驗(yàn)相結(jié)合的混合模型試驗(yàn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[5],該技術(shù)用物理模型模擬風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)響應(yīng),用數(shù)值模型計(jì)算浮體的水動(dòng)力響應(yīng),進(jìn)而將物理模型和數(shù)值仿真通過傳感器、驅(qū)動(dòng)器結(jié)合起來,實(shí)現(xiàn)浮式風(fēng)機(jī)的半物理仿真試驗(yàn)。
Sauder等[6]實(shí)時(shí)采集水池浮式風(fēng)機(jī)浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng),并將其輸入數(shù)值模型計(jì)算搖蕩風(fēng)機(jī)在風(fēng)場(chǎng)中對(duì)浮體的作用力,然后通過施力機(jī)構(gòu)對(duì)浮體施加相應(yīng)氣動(dòng)作用力,來模擬風(fēng)浪聯(lián)合作用下浮式風(fēng)機(jī)的浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。Bayati 等[7]采用風(fēng)機(jī)物理模型模擬氣動(dòng)特性,利用力傳感器實(shí)時(shí)采集風(fēng)機(jī)對(duì)浮體的作用力,并代入浮體運(yùn)動(dòng)方程計(jì)算浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)響應(yīng),將求解運(yùn)動(dòng)結(jié)果通過六自由度平臺(tái)實(shí)現(xiàn),研究浮式風(fēng)機(jī)非定常氣動(dòng)特性。Hall等[8]在海工水池采用施力機(jī)構(gòu)將風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力作用于浮體,進(jìn)行了縮尺比為1∶50 的混合模型試驗(yàn),并且對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了公布,討論了試驗(yàn)的精度和延遲情況。
本文開發(fā)了一套海上浮式風(fēng)機(jī)的混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)和設(shè)備,包括風(fēng)機(jī)的物理模型、浮體運(yùn)動(dòng)的數(shù)值求解程序以及相關(guān)測(cè)量設(shè)備和驅(qū)動(dòng)設(shè)備,并且論證了該系統(tǒng)的可行性,提出了進(jìn)一步的優(yōu)化方法。
混合模型試驗(yàn)方法的基本思想為:采用物理模型和數(shù)值模型相結(jié)合的方式,進(jìn)行實(shí)時(shí)的載荷測(cè)量、響應(yīng)計(jì)算和運(yùn)動(dòng)執(zhí)行[9],將在水池中進(jìn)行的風(fēng)浪流聯(lián)合試驗(yàn)轉(zhuǎn)移到陸地高質(zhì)量風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行,如圖1 所示。如圖1(b)所示,系統(tǒng)主要由三部分組成:①風(fēng)機(jī)物理模型,模擬浮式風(fēng)機(jī)在復(fù)雜環(huán)境作用下的空氣動(dòng)力特性響應(yīng);②浮體數(shù)值模型,求解浮式平臺(tái)-系泊系統(tǒng)在環(huán)境載荷作用下的水動(dòng)力特性響應(yīng);③數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),用于實(shí)現(xiàn)物理空間-數(shù)值空間的數(shù)據(jù)傳輸與浮體等效運(yùn)動(dòng)執(zhí)行。
圖1 浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)對(duì)比示意圖
混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)的具體工作原理見圖1(b)和圖2。將風(fēng)機(jī)物理模型安裝在一臺(tái)6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上,整個(gè)系統(tǒng)置于高質(zhì)量風(fēng)場(chǎng)中,在塔筒底部和6 自由度平臺(tái)之間布置一個(gè)六分力傳感器,以實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)機(jī)對(duì)浮體的作用力。將測(cè)量所得作用力經(jīng)低通濾波、縮尺轉(zhuǎn)換后輸入浮體數(shù)值模型,作為外部激勵(lì)力作用于浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程;在數(shù)值空間求解浮體的6 自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng);通過6 自由度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)浮體的運(yùn)動(dòng)模擬;在每一時(shí)間步內(nèi),不斷采集數(shù)據(jù)、循環(huán)迭代求解、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)海上浮式風(fēng)機(jī)的風(fēng)浪聯(lián)合混合模型試驗(yàn)。
圖2 混合模型試驗(yàn)原理
風(fēng)力機(jī)是浮式風(fēng)機(jī)的主要工作部件,其發(fā)電質(zhì)量與載荷特性關(guān)乎浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性與可行性[10]。精確還原真實(shí)浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)載荷特性至關(guān)重要。本文以NREL 5 MW 參考風(fēng)機(jī)為原型風(fēng)機(jī),依據(jù)弗勞德縮尺定律,設(shè)計(jì)、制造了一套縮尺風(fēng)機(jī)模型,縮尺比λ=1∶50,如圖3 所示。文獻(xiàn)[11]中詳細(xì)介紹了該風(fēng)機(jī)模型的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程。
風(fēng)機(jī)葉片的輪廓參數(shù)參考NREL 5 MW風(fēng)機(jī)葉片的公開數(shù)據(jù),根據(jù)模型試驗(yàn)和加工工藝的要求對(duì)翼型和葉尖輪廓進(jìn)行了修正處理。選取碳纖維加工中空結(jié)構(gòu)的葉片,在準(zhǔn)確還原葉片翼型形狀及氣動(dòng)性能的同時(shí),將葉片質(zhì)量及慣量分布嚴(yán)格控制在縮尺定律的要求范圍內(nèi)。
圖3 模型風(fēng)機(jī)總裝配、葉片和塔筒示意圖
為了研究風(fēng)輪與塔筒之間的相互作用,風(fēng)機(jī)塔筒設(shè)計(jì)為圓錐形筒狀結(jié)構(gòu),以真實(shí)還原大型現(xiàn)代風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的塔筒結(jié)構(gòu),塔筒頂部與風(fēng)機(jī)的機(jī)艙連接,底部通過六分力傳感器與6 自由度平臺(tái)相連。傳感器、電動(dòng)機(jī)等裝置的電源線、信號(hào)線等線纜從塔筒內(nèi)部穿過,以最大限度地減少線纜對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響和線纜懸掛導(dǎo)致的剛度、阻尼干擾。
機(jī)艙是風(fēng)力機(jī)工作系統(tǒng)的主要承載部件,采用高性能鋁合金加工而成,在保證足夠強(qiáng)度的同時(shí),盡可能減小結(jié)構(gòu)重量[12],見圖4。機(jī)艙上搭載有完整的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng),包括變轉(zhuǎn)速控制器、變槳距控制器、偏航控制器,可完整還原大型風(fēng)機(jī)的狀態(tài)控制與環(huán)境響應(yīng)。此外,為監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài),模型風(fēng)機(jī)上還搭載有完善的信號(hào)采集系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、氣動(dòng)扭矩、功率輸出、葉片載荷、機(jī)艙負(fù)載等的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)模型風(fēng)機(jī)全方位、多層次的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在傳統(tǒng)的水池試驗(yàn)中,由于弗勞德縮尺定律對(duì)質(zhì)量的嚴(yán)格限制,要布置如此繁多的信號(hào)采集與狀態(tài)監(jiān)測(cè)通道幾無可能。
圖4 模型風(fēng)機(jī)機(jī)艙布置圖
浮式平臺(tái)的水動(dòng)力響應(yīng)在數(shù)值計(jì)算模型中實(shí)現(xiàn),浮式風(fēng)機(jī)在風(fēng)、浪等環(huán)境載荷作用下,浮體時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程為
式中:M為實(shí)尺度浮式風(fēng)機(jī)整體的質(zhì)量矩陣;A∞為振動(dòng)頻率無窮大時(shí)的附加質(zhì)量矩陣;C 為線性黏性阻尼矩陣;K 為剛度矩陣;Fwave為浮體所受到的波浪載荷;Fmoor為浮體受到的錨鏈力;Fwt為風(fēng)機(jī)所受到的氣動(dòng)載荷;為卷積項(xiàng),描述自由液面的記憶效應(yīng),即某時(shí)刻流體動(dòng)量的變化會(huì)影響之后流體的運(yùn)動(dòng);卷積項(xiàng)K(t)為時(shí)延函數(shù)[13]。
時(shí)域計(jì)算的對(duì)象為實(shí)尺度浮體模型。附加質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣以及幅頻響應(yīng)函數(shù)RAO 等水動(dòng)力參數(shù)均由HydroD/Wadam頻域計(jì)算得到。計(jì)算時(shí)忽略風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下空氣對(duì)風(fēng)機(jī)的作用,同時(shí)不考慮系泊系統(tǒng)的作用力,系泊系統(tǒng)的作用由程序施加。采用面元模型基于勢(shì)流理論計(jì)算浮體的水動(dòng)力參數(shù),將計(jì)算所得參數(shù)的Wamit 文件提前加載于變量空間,利用查表的方式,實(shí)時(shí)計(jì)算實(shí)尺度浮式風(fēng)機(jī)的6 自由度響應(yīng),提高程序計(jì)算效率。
波浪與浮體之間的相互作用一般考慮到二階速度勢(shì),作用在浮體上的波浪激勵(lì)力包括一階波浪力和二階波浪力。在本文的水動(dòng)力計(jì)算中,只計(jì)入一階波浪力,二階的波浪力的影響較小予以忽略。此外,由于該試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)值計(jì)算的求解速度要求較高,只考慮一階波浪力降低了計(jì)算的復(fù)雜性,可有效加快計(jì)算速度。一階波浪力根據(jù)提前加載的波浪時(shí)歷文件和水動(dòng)力參數(shù)文件計(jì)算所得。
應(yīng)用懸鏈線模型計(jì)算錨鏈系統(tǒng)的回復(fù)力,考慮錨鏈的水中質(zhì)量、軸向剛度和與海底的摩擦力,忽略錨鏈的彎曲剛度和阻尼。在時(shí)域水動(dòng)力計(jì)算的過程中,根據(jù)各時(shí)間點(diǎn)浮體的位移和導(dǎo)纜孔的位置,計(jì)算相對(duì)于錨點(diǎn)的水平位移和垂直位移,結(jié)合錨鏈參數(shù)通過懸鏈線方程來計(jì)算錨鏈力。
時(shí)域方程中浮式風(fēng)機(jī)塔筒和風(fēng)輪受到的風(fēng)載荷Fwt為實(shí)尺度浮體受到的作用力。本文提出的混合模型試驗(yàn),為了更加全面地對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制,專注風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力部分研究,將部署不同的采集和控制設(shè)備,會(huì)帶來重量不相似的問題。為了解決該問題,風(fēng)機(jī)部分的重力和慣性力在浮體時(shí)域方程中予以考慮。Fwt由安裝在塔筒底部六分力傳感器的測(cè)量值經(jīng)過修正所得。
根據(jù)時(shí)域水動(dòng)力方程和頻域計(jì)算得到的浮體各項(xiàng)水動(dòng)力參數(shù)、外載荷和運(yùn)動(dòng)狀態(tài),通過Matlab 采用四階龍格庫塔法,迭代計(jì)算時(shí)域方程的數(shù)值解,得到浮體的6 自由度響應(yīng)情況[13]。
求解流程如圖5 所示,首先設(shè)置浮體的質(zhì)量、慣性半徑、重心位置等參數(shù),然后加載錨鏈參數(shù)文件、波浪環(huán)境和水動(dòng)力參數(shù)等進(jìn)行初始化,開始求解計(jì)算,將每一時(shí)間步的外載荷作用于動(dòng)力學(xué)方程,并根據(jù)此時(shí)的位移情況求解出時(shí)間步長結(jié)束后的響應(yīng)情況,由新的位移、速度計(jì)算下一時(shí)間步響應(yīng),如此循環(huán)往復(fù),得到時(shí)域的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。求解時(shí)間步長的選擇與計(jì)算機(jī)的性能有關(guān),時(shí)間步長越小運(yùn)動(dòng)越平滑準(zhǔn)確,但是因采集設(shè)備、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備的限制,時(shí)間步長需要根據(jù)實(shí)際情況取一個(gè)折中的數(shù)值。
圖5 時(shí)域水動(dòng)力方程數(shù)值求解流程
為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算模型的準(zhǔn)確性,以SJTU-S4 浮式風(fēng)機(jī)的自由衰減測(cè)試為例,將數(shù)值計(jì)算與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比。水池模型試驗(yàn)地點(diǎn)為上海交通大學(xué)海洋工程深水池,試驗(yàn)?zāi)P蜑樽灾髟O(shè)計(jì)的SJTU-S4 浮式風(fēng)機(jī),見圖6。該浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)水深100 m,模型縮尺比為1∶50,系泊系統(tǒng)采用3 根錨鏈,錨鏈間夾角為120°。
圖6 SJTU-S4浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)
數(shù)值計(jì)算程序所得浮式風(fēng)機(jī)的6 自由度靜水衰減結(jié)果與水池靜水衰減試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,如圖7 所示。由圖可知,開發(fā)的數(shù)值計(jì)算程序能準(zhǔn)確計(jì)算浮體的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)情況。
圖7 SJTU-S4自由衰減結(jié)果
由于風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在現(xiàn)實(shí)物理空間而浮式平臺(tái)作用在虛擬數(shù)值空間,保證物理與數(shù)值空間數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。此外,浮式平臺(tái)在環(huán)境載荷作用下的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)通過6 自由度平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn),如何保證運(yùn)動(dòng)平臺(tái)響應(yīng)速度與數(shù)值計(jì)算速度之間的匹配性關(guān)乎系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。為此,本文開發(fā)了一套數(shù)據(jù)交互和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
4.1.1 數(shù)據(jù)交互與處理
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互存在于每一時(shí)間步內(nèi)六分力傳感器—數(shù)值模型—運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)之間。
六分力傳感器布置于風(fēng)機(jī)塔筒底部與6 自由度平臺(tái)的連接處,實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)機(jī)對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的作用力,同時(shí)信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理;由于風(fēng)機(jī)的重力和慣性力已經(jīng)在時(shí)域求解程序中考慮(見式(1)),所以需要對(duì)傳感器測(cè)量值Fload進(jìn)行修正,即扣除風(fēng)機(jī)模型的重力和慣性力,記為載荷修正量Fcorr。Fcorr根據(jù)風(fēng)機(jī)的質(zhì)量Mt、剛度Kt和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)q(t)計(jì)算:
將修正后的風(fēng)機(jī)氣動(dòng)力Fwt根據(jù)縮尺關(guān)系轉(zhuǎn)換為實(shí)尺度氣動(dòng)載荷,同時(shí)考慮由縮尺關(guān)系帶來的時(shí)間尺度的變化,達(dá)到模型尺度的時(shí)歷風(fēng)力與實(shí)尺度時(shí)歷風(fēng)力的匹配,然后傳輸于數(shù)值模型時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程。
在時(shí)域數(shù)值求解得到實(shí)尺度的浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)之后,同樣需要根據(jù)縮尺定律進(jìn)行縮比轉(zhuǎn)化,即將實(shí)尺度運(yùn)動(dòng)時(shí)歷轉(zhuǎn)化為模型尺度運(yùn)動(dòng)響應(yīng),進(jìn)而通過6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)。
4.1.2 運(yùn)動(dòng)控制
因存在實(shí)尺度、模型尺度之間時(shí)域數(shù)據(jù)的縮比轉(zhuǎn)換和物理、數(shù)值空間之間時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系,需要明確以下時(shí)間概念:①數(shù)值程序?qū)嵆叨鹊鷷r(shí)間步長Ts1;②數(shù)值程序求解每一時(shí)間步長需要的計(jì)算時(shí)間Ts2;③ 模型尺度時(shí)間步長Tm,即數(shù)據(jù)采集和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)間步長,對(duì)應(yīng)采集頻率和響應(yīng)頻率;④ 從數(shù)據(jù)采集到運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行到指定位置,除程序計(jì)算時(shí)間以外的硬件設(shè)備傳輸響應(yīng)時(shí)間Td。以上時(shí)間應(yīng)有如下關(guān)系,以保證實(shí)尺度、模型尺度、物理和數(shù)值空間交互的匹配性:
在數(shù)值計(jì)算程序中,每一時(shí)間步長Ts1的計(jì)算時(shí)間Ts2之間存在一定偏差,導(dǎo)致實(shí)際步長T′m=Ts2+Td不完全等于理論Tm。為保證數(shù)值計(jì)算速度與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)速度之間的匹配性,需要先判斷T′m與Tm的相對(duì)關(guān)系;如果T′m<Tm,需要設(shè)置時(shí)間等待來延遲運(yùn)動(dòng)指令的發(fā)送;如果T′m>Tm,則需要對(duì)時(shí)間差ΔT=T′m-Tm之后的位姿進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)方法可采用歷史數(shù)據(jù)來進(jìn)行擬合外推[14-15],然后將擬合數(shù)據(jù)輸入給運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)擬合數(shù)據(jù)作為下一次數(shù)值迭代的初值。
模擬浮體運(yùn)動(dòng)的6 自由度平臺(tái)采用Stewart平臺(tái)。Stewart 6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、位置誤差不累計(jì)等特點(diǎn)[16],可以用來實(shí)時(shí)模擬浮體的運(yùn)動(dòng),平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖8 所示。該平臺(tái)由6 個(gè)鉸接于地面的伺服電缸及其上部運(yùn)動(dòng)平面構(gòu)成,運(yùn)動(dòng)平面為一剛性平板,與各電缸頂端鉸接相連??刂乒裰械慕馑愠绦蚩梢詫⒛繕?biāo)6 自由度姿態(tài)解算為對(duì)應(yīng)的6 根絲桿的伸長量,然后控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)絲桿的不同伸長量,實(shí)現(xiàn)平臺(tái)上平面在空間內(nèi)的3 個(gè)方向線運(yùn)動(dòng)與角運(yùn)動(dòng),從而對(duì)固連在其上部的模型風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)6自由度運(yùn)動(dòng)控制,6 自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)參數(shù)如下:有效負(fù)載100 kg,垂向行程200 mm,橫向行程±130 mm,縱向行程±130 mm,橫滾范圍±15°,俯仰范圍±15°,扭轉(zhuǎn)范圍±15°,重復(fù)定位精度0.1 mm/0.1°。
圖8 6自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)示意圖
利用測(cè)量精度為0. 01 mm 的激光測(cè)距儀對(duì)Stewart平臺(tái)的運(yùn)行性能進(jìn)行了定位精度測(cè)試,分別選取線位移和角位移測(cè)試結(jié)果展示,如圖9 所示。Stewart平臺(tái)接收數(shù)值模型求解得到的每一時(shí)間步長結(jié)束時(shí)的浮體位移姿態(tài),并實(shí)現(xiàn)該運(yùn)動(dòng)。
圖9 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)性能測(cè)試
基于以上物理、數(shù)值模型和數(shù)據(jù)交互與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),搭建了一套海上浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)[17],如圖10 所示。
圖10 浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)系統(tǒng)
由于模型設(shè)計(jì)、制造的難度,及試驗(yàn)設(shè)備、場(chǎng)地等的限制,目前對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)發(fā)電功率、平臺(tái)振蕩作用下的氣動(dòng)載荷、偏航/變槳控制等方面的模型試驗(yàn)研究較少,該混合模型試驗(yàn)方法提供了一種解決方案。該方法可在質(zhì)量高風(fēng)場(chǎng)如航天風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),精細(xì)化機(jī)艙和葉片模型可精確刻畫氣動(dòng)響應(yīng)特征。由于數(shù)據(jù)交互轉(zhuǎn)化關(guān)系中已消除物理風(fēng)機(jī)模型的重力和慣性力,該方法中物理模型風(fēng)機(jī)的質(zhì)量不受限制,為開展廣泛的風(fēng)機(jī)伺服/結(jié)構(gòu)控制研究提供了途徑。同時(shí),該方法可在數(shù)值模型中直接更改浮體結(jié)構(gòu),方便研究不同浮體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)特性的影響;此外,脫離海洋工程水池進(jìn)行試驗(yàn),成本也將大幅下降。
本文方法的實(shí)現(xiàn)依賴于快速且合理準(zhǔn)確的數(shù)值計(jì)算程序、快速的信號(hào)處理與高精度的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行,所以要求在保證物理現(xiàn)象的真實(shí)性的同時(shí),盡可能簡(jiǎn)化模型以加快程序計(jì)算速度。為了提高系統(tǒng)的執(zhí)行速度,可將計(jì)算電腦替換為相關(guān)的硬件控制板加快代碼執(zhí)行速度,縮小時(shí)間步長,提高求解精度。
本文提出了一種海上浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)方法,通過物理模型和數(shù)值模型相結(jié)合的方法將傳統(tǒng)的浮式風(fēng)機(jī)水池試驗(yàn)搬移到高質(zhì)量風(fēng)場(chǎng)中進(jìn)行。系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)物理模型、浮體數(shù)值模型、數(shù)據(jù)交互與控制系統(tǒng)構(gòu)成。浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)由數(shù)值計(jì)算模型求解得到,并通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)加以實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)據(jù)交互模塊實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)模型與數(shù)值模型之間的運(yùn)動(dòng)、載荷等信息交互。設(shè)計(jì)、開發(fā)了一套浮式風(fēng)機(jī)混合模型試驗(yàn)系統(tǒng),初步測(cè)試結(jié)果表明,該系統(tǒng)性能可靠。對(duì)于該系統(tǒng)在風(fēng)浪聯(lián)合作用下的運(yùn)動(dòng)性能與驗(yàn)證,將在后續(xù)研究中進(jìn)行分析討論。