漂浮式風電系統縮比模型水池試驗規范Specificationforscalemodelbasintestsoffloatingoffshorewindturbines漂浮式風電系統縮比模型水池試驗規范Specificationforscalemodelbasintestsoffloatingoffshorewindturbines目次前言 31范圍 42規范性引用文件 43術語和定義 44基本規定 54.1一般規定 54.2試驗流程 64.3試驗資料記錄及整理 65模型設計、制造、安裝與調試 75.1模型設計原則 75.2模型制造要求 85.3模型安裝要求 95.4試驗測試要求 96環境條件模方法及精度要求 96.1風的模擬方法及精度要求 106.2波浪模擬方法及精度要求 106.3海流模擬方法及精度要求 117試驗內容 117.1總體要求 117.2試驗要求 118試驗報告編寫 128.1報告編寫、審查及資料歸檔 128.2試驗數據分析 138.3試驗結果的表達 13附錄A 14附錄B 15附錄C 16

漂浮式風電系統縮比模型水池試驗規范范圍本規范規定了漂浮式海上風電系統全物理模型試驗的設計原則、模型制造調試、環境條件模擬、試驗工況、試驗結果的分析和表達。本規范適用于單立柱式（SPAR）、半潛式(Semi-submersible)、張力腿式(TLP)和駁船式（Barge）等漂浮式風電系統的全物理縮比模型水池試驗。規范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/Z44047漂浮式海上風力發電機組設計要求GB/T18451.1風力發電機組設計要求CB/T3471風、浪、流聯合作用下浮式系統模型試驗規程CB/Z808海洋平臺模型試驗規程CCS海上浮式風機平臺指南2021ITTC7.5-02-07-03.1RecommendedProceduresandGuidelines—FloatingOffshorePlatformExperimentsITTC7.5-02-07-03.8RecommendedProceduresandGuidelines—ModelTestsforOffshoreWindTurbinesDNV-ST-0119FloatingwindturbinestructuresDNV-RP-0286Coupledanalysisoffloatingwindturbines術語和定義下列術語和定義適用于本文件。物理模型physicalmodel將研究對象按一定相似準則或相似條件縮制而成的實體模型。全物理模型試驗fullphysicalmodeltest采用真正的風浪流環境條件對物理模型進行加載而開展的模型試驗。自由衰減試驗freedecaytest將物理模型移動到偏離其靜水平衡位置而后釋放使其自由運動的試驗。流載荷測試試驗currentloadtests將物理模型固定于測力架上在拖曳水池中進行拖曳或在風洞中進行吹風的試驗。靜態偏移試驗staticoffsettests將物理模型人為在某一自由度施加一系列位移并測試系泊系統回復力的試驗。錘擊試驗hammertests將物理模型人為施加一沖擊載荷測試物理模型在沖擊載荷下響應的試驗。風電機組性能測試試驗windturbineperformancetests將風電機組塔筒根部固定，測試風電機組在系列定常風下性能的試驗。規則波測試試驗regularwavetests將物理模型放置在海洋工程水池中測試物理模型在規則波下響應的試驗。白噪聲測試試驗whitenoisetests將物理模型放置在海洋工程水池中測試物理模型在白噪聲波下響應的試驗。不規則波測試試驗irregularwavetests將物理模型放置在海洋工程水池中測試物理模型在不規則波下響應的試驗。風浪流聯合測試試驗wind-wave-currenttests將物理模型放置在海洋工程水池中測試物理模型在風浪流聯合下響應的試驗。基本規定一般規定4.1.1漂浮式風電系統全物理縮比模模型水池試驗應根據試驗任務目的及要求編寫物理模型試驗大綱，試驗大綱具體內容可參考附錄A。4.1.2宜在模型試驗開展前進行數值模擬計算，確保模型試驗參數設置的科學性，同時為測量設備的選型提供支撐。4.1.3漂浮式風電系統全物理水池模型試驗可輔助開展風洞模型試驗和拖曳水池試驗，測試風電機組載荷、漂浮式基礎風載荷和流載荷。4.1.4漂浮式風電系統全物理水池模型試驗應測量波高、風速、漂浮式基礎的6自由度剛體運動、錨鏈張力，宜同步測量塔筒頂部6自由度載荷、塔筒底部6自由度載荷、機艙加速度等物理量。4.1.5測量儀器設備應盡量保證輕量化，并盡量減少對模型質量分布及動態響應的影響。4.1.6漂浮式風電系統全物理縮比模型水池試驗流程宜參考圖4.1-1。圖1漂浮式風電系統全物理水池模型試驗設計流程圖試驗流程4.2.1應根據工程需求、漂浮式風電系統設計參數、擬布放海域環境參數等基本資料、試驗工況、所選試驗場地尺寸等條件選擇合適的縮尺比，并開展試驗模型制作及采集儀器設備選型，明確測量參數及測點布置。4.2.2試驗前期應開展模型質量與剛度等屬性的校核、各類測試設備的安裝與調試等準備工作，包括但不限于造波機、造流機、造風設備的調試與標定以及儀器設備防水保護。4.2.3正式試驗階段應依據研究內容和工況設計開展漂浮式風電系統全物理模型試驗，采集試驗數據并保存。試驗數據與數值計算存在較大差異時應排除原因并進行復現性校核。4.2.4對試驗數據進行處理，并完成試驗報告的編寫。試驗資料記錄及整理4.3.1試驗人員應接受相關安全培訓，嚴格執行實驗室儀器設備操作規程。4.3.2物理模型試驗全程應做好記錄，隨測隨記。試驗數據命名及保存應條理清晰，相關文件資料應及時整理、校核并裝訂。4.3.3試驗數據原始文件、數據處理過程文件及最終結果應分別保存并形成目錄，同時進行備份。4.3.4試驗數據有問題或誤差較大時，應及時分析原因，排除問題并重做相應工況試驗，確保試驗數據有效性與完整性。4.3.5試驗數據處理結果宜以圖表形式進行展示。模型設計、制造、安裝與調試模型設計原則5.1.1對于水動力模擬占主導的模型試驗，宜滿足弗勞德數（Froudenumber）相似準則，弗勞德數相似滿足公式(1)：Vm/gLm5.1.2對于氣動力模擬占主導的模型試驗，宜滿足雷諾數（Reynoldsnumber）相似準則，雷諾數相似滿足公式(2)：????????/??=????????/??(2)5.1.3在水池模型試驗中宜優先采用弗勞德數相似的縮尺準則。若模型試驗在淡水海洋工程水池中開展，模型試驗應考慮水的密度修正，可取密度修正因子??為1.025。5.1.4漂浮式基礎模型（包含壓載）設計應滿足以下原則a)幾何尺寸、重心位置應滿足弗勞德數相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(3)：L??=L??/??(3)b)質量應滿足弗勞德數相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(4)：W??=W??/????3(4)c)轉動慣量應滿足弗勞德數相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(5)：J??=J??/5(5)5.1.5風電機組模型設計應滿足以下原則a)宜滿足推力相似準則。風輪模型氣動推力相似滿足公式(6)：T??=T??/????3(6)b)宜滿足葉尖速比（TSR）相似準則。葉尖速比相似滿足公式(7)：????????/??????=????????/??????(7)c)模型的質量、重心位置應滿足弗勞德數相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(3)(4)。5.1.6塔筒模型設計應滿足以下原則a)宜遵循結構剛度相似準則。結構剛度相似滿足公式(8)：(????)??=????????/????5(8)b)當塔筒模型結構剛度相似無法滿足時，塔筒模型的設計應滿足一階自振頻率相似。頻率相似滿足公式(9)：f??=fs·??0.5(9)c)塔筒模型的高度、重心位置、質量應滿足弗勞德數相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(3)(4)。5.1.7系泊系統模型設計應滿足以下原則a)系泊纜長度、導纜點與錨點的位置坐標應滿足幾何相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(3)：b)系泊纜濕重應滿足弗勞德相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(4)：c)系泊纜剛度應滿足弗勞德相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(10)：(EA)??=(EA)??/????3(10)其中，??為幾何縮尺比，??為密度修正因子，??為纜繩的楊氏模量，A為纜繩的截面面積，角標m和s分別表示模型值和實型值。d)系泊力應滿足弗勞德相似準則，模型和實型物理量之間的轉化關系滿足公式(11)：F??=F??/????3(11)模型制造要求5.2.1漂浮式基礎模型制造要求：a) 漂浮式基礎模型的幾何尺寸誤差不應超過±3%；b) 漂浮式基礎模型的質量誤差不應超過±3%，重心位置誤差不應超過±5%，慣性半徑誤差不應超過±5%；c) 應為模型中壓載物的安裝與調節提供足夠的空間；d) 漂浮式基礎模型表面應光潔，在水中不滲水、不變形。5.2.2風電機組模型制造要求：a)對滿足幾何相似的葉片，風電機組葉片模型的葉片長度、弦長等誤差不應超過±2%；b)風電機組葉片模型的質量誤差不應超過±5%，重心位置誤差不應超過±5%；c)風輪整體重心偏離其旋轉軸線的距離不應超過風輪直徑的±1%。5.2.3系泊系統模型制造要求a)系泊系統系泊纜的長度誤差不應超過±3%；b)系泊系統系泊纜的預張力誤差不應超過±5%；c)系泊系統系泊纜的剛度誤差不宜超過±5%。5.2.4漂浮式基礎模型制造完成后宜開展靜水傾斜測試：a)靜水傾斜測試檢驗內容一般包括縱搖及橫搖兩個方向的剛度；b)可用量角儀或光學測量儀器等角度測量設備進行風機模型的角度測量；c)若使用量角儀，應確保儀器安裝位置光滑且水平；d)宜使用施加重物的方式進行靜水傾斜測試，通過重物的質量、布置位置、以及風機模型的角度得到模型的靜水剛度。5.2.5風電機組模型制造完成后應開展塔筒錘擊試驗：a)塔筒錘擊測試驗內容一般包括塔筒前后及側向的一階固有頻率；b)塔筒錘擊測試中塔筒應與地面剛性固定，宜在塔筒底部安裝測力儀，在塔筒頂部安裝加速度傳感器；c)塔筒錘擊測試中應迅速敲擊塔筒頂端以模擬脈沖載荷，通過測力儀記錄塔基彎矩的時間歷程數據；d)塔筒錘擊測試中通過對彎矩或加速度時間歷程數據進行譜分析獲得塔筒結構的固有頻率。5.2.6風電機組模型制造完成后應開展風電機組性能測試試驗：a)風電機組性能測試試驗內容一般包括風電機組在不同定常風速下的推力、轉速、槳距角測試；b)風電機組性能測試試驗中應保持塔筒底部與水平地面剛性固定；c)風電機組性能測試試驗中應在塔筒頂部安裝六分力傳感器測試塔筒頂部剪力和彎矩；d)風電機組性能測試試驗中宜在機艙內安裝扭矩傳感器測試風輪轉速；e)風電機組性能測試試驗中應至少測試9組定常風，測試風速應包括切入風速、額定風速和切出風速，測試風速還應包括水池試驗工況測試的風速。模型安裝要求5.3.1應統籌安排以下試驗模型及設備的安裝位置：造風系統、造波機、造流裝置、風電機組模型、漂浮式基礎模型、系泊系統模型、浪高儀、風速儀、流速儀等。5.3.2應合理設計漂浮式風機模型各個結構之間的連接方式，包括：葉片與輪轂、輪轂與機艙、機艙與塔架、塔架與平臺、平臺與系泊系統，系泊系統與水池底部等。5.3.3應合理設計傳感器與試驗模型之間的安裝方式。試驗測試要求5.4.1應對試驗中用于測試物理量的傳感器設備進行選型與調試。5.4.2所選傳感器的量程應滿足所測物理量的量程要求，所選傳感器的分度值應與測量值具有合理的比例關系。測量參數以及測量精度建議如下表所示：表1試驗中用于測試的物理量序號測量參數單位精度1波高m±1%2風速m/s±0.1m/s±1.5%測量值3流速m/s±1mm/s±0.5%測量值4三自由度加速度m/s2±1%5系泊力N±1%66自由度載荷N、N·m±1%7縱蕩m±0.1%橫蕩m±0.1%垂蕩m±0.1%橫搖°±0.1%縱搖°±0.1%艏搖°±0.1%環境條件模方法及精度要求風的模擬方法及精度要求6.1.1漂浮式風電系統模型試驗應配備造風裝備與相關氣壓傳感器、風速計等。6.1.2造風裝備通流截面應覆蓋風電機組風輪掃掠面積，造風裝備安裝位置宜確保距離靜水面一定距離。6.1.3應開展風質量評估試驗，風質量評估試驗中測風點位于與來流風垂直的同一平面內且各測風點的測量應同步開始。6.1.4在風模擬中，宜根據風電機組的試驗要求和實際情況，選取相應風譜，設計相應的試驗方案。6.1.5平均風速的模擬誤差應小于±5%，造風角度誤差不應大于±3°，同時應校驗風載荷模擬的重復性。波浪模擬方法及精度要求6.2.1考慮比尺關系、空間限制等因素選擇水池或水槽作為波浪場地，場地內應配備消波裝置。6.2.2造波設備與造風設備同時工作的試驗工況，應注意盡量避免由造風設備產生的渦流及非預期的風激波。6.2.3應開展造波質量評估試驗，造波質量評估試驗中測浪點應涵蓋試驗模型安裝位置且測量時間不小于10分鐘。6.2.4完成一次造波試驗，應待水面較平靜后，再進行下一次試驗。6.2.5造波試驗時，浪向角宜從下列角度中選?。?°、30°、45°、60°、90°、120°、135°、150°、180°。6.2.6規則波的模擬應符合以下規定：a)試驗波高選取應保證波浪線性，波長的個數宜少于12個，范圍以盡量能夠獲得較完整的頻率響應曲線為宜，并在共振點附近宜適當加密試驗點；b)規則波試驗時間應保證至少10個波浪周期，采樣頻率不低于20Hz；c)波高的模擬誤差應小于±10%，周期的模擬誤差應小于±5%。6.2.7長峰不規則波模擬應符合以下規定：a)風、浪、流聯合模擬，應先造風、流，待風速和流速達到預定值并穩定后再造波，并應以聯合作用下的實測波浪譜作為標準，也可用單獨波浪實測譜作為標準；b)應模擬實測波譜，當無實測波譜資料時，可按國際拖曳水池會議(ITTC)推薦的雙參數譜或聯合北海波浪計劃提出的JONSWAP譜模擬；c)長峰不規則波的瞬時波面高度的概率分布應符合正態分布；d)水池實測譜與目標譜的波譜形狀相近；e)譜值的誤差應滿足在>0.1時，譜值；f)峰頻應滿足；g)有義波高應滿足;h)在造波頻率范圍內，對于一般試驗，成分波個數應大于或等于50個，對二階非線性系統，成分波個數應根據系統特性決定；i)波譜的高頻截止頻率應大于峰頻的三倍；j)長峰不規則波模擬時應至少安裝兩個浪高儀，一個置于模型安裝位置，在正式試驗時移走，另一個與前一個并排安裝，用來測量測試信號的波浪相位。6.2.8短峰不規則波模擬可參照長峰不規則波模擬進行，譜值、峰頻、有義波高允許誤差參照長峰不規則波模擬要求，還應滿足以下要求：a)水池實測方向譜與目標方向譜的波譜形狀相近，主浪向誤差宜小于±5°；b)短峰波測量的浪高儀陣列中各個浪高儀之間的最佳間距應根據實際波長的范圍確定，宜安裝在主要波長（約1/10～1/2）的范圍。6.2.9白噪聲波模擬可參照長峰不規則波模擬要求，還應滿足以下要求：a)白噪聲波截斷頻率應盡量滿足試驗要求頻率范圍；b)模擬時間對應原型時間不小于3h，采樣頻率不低于20Hz。6.2.10在試驗場地滿足的情況下，設計模型時宜采用較小的模型比尺。海流模擬方法及精度要求6.3.1海流模擬中應配備必要的流速流向測量儀器，流速流向測量儀可按下列條件選用：a)根據試驗目的和流速范圍選用旋槳流速儀、超聲多普勒流速儀、粒子成像流速儀或激光流速儀等測量流速設備；b)大面積表面流速、流態測量宜選用流場測量系統；c)流速、流向測量儀器的選型應滿足量程和精度要求。6.3.2在模型安裝位置，應校驗水池中整個寬度方向或足夠大寬度方向流的均勻性。6.3.3平均流速應在模型滿載吃水一半的深度進行測量，并在模型安裝位置平行方向多處位置測量。平均流速的模擬誤差宜小于10%，造流角度誤差宜小于4°，同時應校驗流載荷模擬的重復性。6.3.4流載荷也可采用等效力進行模擬?？稍谕弦匪刂谢诨A模型的拖曳試驗得到等效流載荷。在包含海流的試驗中，將等效流載荷施加在基礎吃水一半位置處。試驗內容總體要求7.1.1試驗內容應包含：a)自由衰減試驗；b)靜態偏移試驗；c)系列規則波試驗或白噪聲試驗；d)單一外部條件下的試驗；e)風、浪、流聯合條件下的試驗。7.1.2試驗內容可包含：a)風電機組故障狀態；b)單一錨鏈破斷狀態。7.1.3試驗工況應根據漂浮式風電系統設計要求確定，宜包含正常發電工況、極端環境工況。試驗要求7.2.1自由衰減試驗通常在靜水條件下開展，人為在某一自由度施加非零初始位移而后釋放。a)自由衰減試驗應包含系泊狀態下的試驗和自由漂浮狀態下的試驗；b)系泊狀態下的自由衰減應包含漂浮式基礎縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖6個自由度；c)自由漂浮狀態下的自由衰減宜包含漂浮式基礎垂蕩、橫搖、縱搖3個自由度；d)開展漂浮式基礎某一自由度自由衰減試驗時，應僅在該自由度將漂浮式基礎人為施加非零初始位移，保證其他自由度初始位移為零；e)開展某一自由度自由衰減試驗時，宜在該自由度將漂浮式基礎人為施加小、中、大等多組初始位移值測量；f）可開展漂浮式風電系統在定常風及系列規則波下的自由衰減試驗。7.2.2靜態偏移試驗測試試驗在靜水條件下開展，人為在某一自由度施加系列非零初始位移并同步測量反力。a)靜態偏移試驗應包括縱蕩和橫蕩自由度測試，宜開展其他自由度測試；b)系泊系統在某一自由度的靜態偏移試驗應在測試自由度的正位移和負位移方向均開展測試，量程范圍應覆蓋漂浮式風電模型的最大位移范圍；c)系泊系統在某一自由度的靜態偏移試驗應確保漂浮式風電系統模型僅在該自由度產生位移，其他自由度位移為0；d)系泊系統在某一自由度的靜態偏移試驗宜同步測試系泊纜的張力。7.2.3規則波與白噪聲試驗中應測試漂浮式風電模型在不同方向角下的漂浮式基礎六自由度運動。a)浪向角數量及具體度數應根據平臺的水動力仿真敏感性分析確定。b)應開展漂浮式風電系統在自由漂浮狀態、完整系泊和完整系泊有風三個狀態下的規則波與白噪聲試驗。7.2.4單一外部條件試驗主要包含純風工況試驗和純波浪工況試驗，并應符合以下規定：a)純風工況試驗至少應包含切入風速、額定風速、切出風速條件下的正常作業工況與極端條件下的生存工況；b)純波浪工況試驗宜應包含適用海域的一年一遇及五十年一遇波高和對應的波浪周期。試驗中應包括不同浪向的工況，可按照需求從規則波與白噪聲試驗的浪向角中選取。7.2.5風浪流聯合條件試驗應包含正常發電狀態、停機狀態。a)正常發電狀態主要測試漂浮式風電系統在切出風速及以下正常工作狀態的性能，應至少包括切入風速工況、額定風速工況與切出風速工況；b)停機狀態主要測試漂浮式風電系統在切出風速以上時停機狀態的性能，應使用五十年一遇的海況條件與設計最大風速，應開展不同風浪夾角的試驗。7.2.6宜使用五十年一遇海況條件測試單一錨鏈破斷狀態下漂浮式風電系統響應。試驗報告編寫報告編寫、審查及資料歸檔8.1.1試驗報告的編寫應完整描述項目概況、試驗內容、試驗條件、試驗結果分析及相應結論。8.1.2完成試驗報告后應對報告格式、內容進行審查。8.1.3完成漂浮式風電系統全物理縮比模型水池試驗后，原型資料、試驗資料、試驗模型及報告、驗收或鑒定證明材料等應按照《科學技術研究檔案管理規定》或其他相關規定整理歸檔。試驗數據分析8.2.1對規則波試驗結果進行統計分析，應求取8~10個周期的平均波高和平均運動幅值，計算各參數頻率響應傳遞函數。8.2.2白噪聲試驗結果可采用頻域分析方法，通過運動響應譜和波能譜分析計算各參數頻率響應傳遞函數。8.2.3不規則波試驗結果可采用時域分析方法，依據不規則波、運動響應或系泊力記錄的時間歷程作統計分析，計算平均值、有義值、最大值等。8.2.4不規則波試驗結果頻域分析時可采用相關函數（B-T）法或快速傅立葉（FFT）法獲得波能譜，并計算各響應譜的各階矩、譜峰頻率等特征值。在需要進行濾波時，應采用濾波器或數字濾波以盡量減小相移為準則。8.2.5短峰波試驗數據分析，波浪可采用擴展的極大似然法或貝葉斯法分析，通過對浪高儀陣列的數據進行譜分析，計算有義波高、平均周期、平均浪向及方向譜。運動響應、系泊力數據分析可參照8.2.3和8.2.4進行。試驗結果的表達8.3.1模型加工精度的表達：模型加工精度結果一般包括模型的質量、重心、幾何尺寸等數據的理論值和實測值及相對誤差。8.3.2自由衰減試驗結果的表達：自由衰減試驗結果一般包括衰減曲線、自振周期、阻尼比等數據。8.3.3靜態偏移試驗測試結果的表達：靜態偏移試驗測試結果應給出不同偏離位移下系泊系統的回復力曲線，宜給出不同偏離位移下系泊纜張力曲線。8.3.4風電機組推力測試結果的表達：風電機組推力測試結果應給出不同風速下風電機組的推力曲線。8.3.5規則波/白噪聲試驗結果的表達形式包括:a）規則波/白噪聲試驗結果應以幅值響應算子（RAO）的形式給出，將不同的波浪頻率作為橫軸，RAO作為縱軸，即可得到RAO曲線。b）也可采用無因次化形式展示規則波/白噪聲試驗試驗結果，線運動由波幅進行無因次化，角運動由波傾角進行無因次化，加速度無因次化形式為L/(gζa)，式中L為特征長度。結果基于橫坐標ω(L/g)1/2或ωe(L/g)1/2進行繪制。8.3.6不規則波試驗結果一般包括波浪、運動響應、系泊力等數據。長峰不規則波、短峰不規則波試驗結果表達可參考《水面船模耐波性試驗規程》。8.3.7試驗報告可參考附錄B編寫。

附錄A（資料性）符號定義A為纜繩的截面面積??為楊氏模量F為系泊纜的系泊力f為塔筒一階自振頻率??為重力加速度??為結構的截面慣性矩J為模型轉動慣量??表示特征線尺度角標m表示模型??為風輪半徑角標s表示實型T為風輪模型所受氣動