海上风电桩基础力学特性研究

发布时间：2020-06-29 23:59

【摘要】：近年来,由于石油、煤炭等不可再生资源消耗加剧,一方面引起了人们对未来能源枯竭的担忧;另一方面,这些化石燃料燃烧产生的大量污染物给全球人类带来巨大健康威胁,也给当今社会带来极大风险。故而,对清洁的可再生能源的开发和利用逐渐得到全世界广泛的重视。作为其中一种主要的可再生新能源,风力发电也因此得到了大力发展,建造成本也不断降低。但随着风电应用比例的提高,陆上风电占用土地资源、风向不稳定以及噪音污染等问题却日益显现。于是,人们将目光投向海洋,开始致力于海上风资源的开发利用。因为海上风能远较陆上风资源丰富,而且海洋面积广阔,不占用土地资源。此外,海上人烟稀少,风电机组运营时产生的噪音影响较小。因此,海上风电将是未来风力发电的一个重要发展方向。我国海上风资源较为丰富,但受技术水平、技术成熟度和可靠性的限制,深远海的开发还远未达到成熟的商业化运行。目前,我国海上风力发电仍以近海的固定式基础风力发电为主;但随着装机容量的增大,风机机头重量的不断增加,对桩基础承载力的要求也不断提高,桩径也不断增大。工程上一般使用传统的Morison公式计算波浪载荷,作为先期设计的基础。但该公式仅适用于细长体结构,对于目前桩基础直径增大后的单桩大直径基础,则不再适用。因此,急需一种既满足工程上高效率计算的要求,又能提供一定精确度的方案。本文即基于势流理论和模态叠加方法开发了一种用于计算单桩大直径基础的数值求解软件。该软件使用CPU和GPU并行技术,进一步提高势流理论高速计算的优势,能够快速给出不同频率下桩基础受到的波浪载荷和结构振动响应。为验证和对比,本文还以一种近海风机的固定式单桩大直径基础为研究对象,使用计算流体力学(CFD)软件STAR-CCM+计算求解了该基础在几种典型的波浪工况(包括规则波和不规则波)及不同海底泥面条件下所受的波浪载荷。通过对不同条件下载荷的数值和幅值频率进行比较分析,得出了不同情况下桩基础受载的变化情况,总结了相关规律,为结构设计提供了参考。此外,本文还将上述数值模拟结果与MacCamy和Fuchs提出的大型直立圆柱绕射理论的结果进行了对比,从而分析了本文使用的数值模拟方法与势流理论下对波浪载荷计算结果的差异。同时,本文还对桩基础在波浪载荷作用下的结构振动响应进行了分析。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM614;TU473.1
【图文】：

水深,平台,形式,重力式基础

图 1-1 不同水深下的平台形式Fig. 1-1 Different platforms for wind turbines in different conditions从上图中可见在水深小于 30 m 情况下，一般使用重力式基础或单桩基种情况一般位于近浅海，海况一般较低，风浪不大，因此可使用较为廉价重力式基础。不过由于重力式基础对水底条件要求较高，如果水底不平整额外的平整费用，此时可考虑使用单桩基础，将平台直接固定于坚硬的基础随着水深的进一步加深，风浪流作用加剧，单桩基础的强度开始不足。采用三脚架等辅助装置或桁架结构。而在水深超过 50 m 的深水区，采用固定式基础成本高昂，施工困难，时宜采用漂浮式基础。漂浮式基础通过锚泊系统固定于海底，平台与锚泊有多种选择，如图中右起第二为张力腿平台，这种平台浮力大于重力，通系统中锚链的张力使其稳定在一定范围内。此外，锚泊的固定方式也多样压式水筒可通过排净筒内空气，依靠水压、泥沙将水筒压入海底淤泥中，定于海底。.3 海上风电桩基础动力学研究

示意图,围道,有限水深,示意图

图 3-1 围道 L 示意图Fig. 3-1 The sketch of the contour为：( )( )( )( )( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )1002 202 2'4 cos sincossin cos sin cos cosnnnn n nn n n n nnn n nna ikH ik Rb ikk k z v k zk h K k h k h k h vh k hv kk h k z h K k Rhk hv vζζ + + + + + + + -45)和(3-44)，得到三维有限水深频域 Green 函数的特) ( ) ( )( )( ) ( ) 2 2100 0 0 2 202 202 2124 cos cosnn n nnv kq i ch k h ch k z h H hk hv vv kk h k z h K hk hv vπ ζζ∞= = + + ++ + + + ∑

【参考文献】