海上风机三脚架基础水动力特性试验及数值研究

发布时间：2020-05-09 21:53

【摘要】：随着海上风电从近海向深远海发展,海上风电三脚架基础因对水深有良好的适用性、较好的稳定性和较低的建造成本,逐渐受到工程界和学术界的关注。与海上大直径单桩基础相比,海上风电三脚架基础由于立柱之间距离较近且不对称分布,相互之间水动力干扰较强,在某些特定的入射波频率下,立柱结构内部会发生近场干涉现象,导致立柱间内部波面急剧变化,对海上三脚架基础结构安全带来极其不利影响。目前,关于深远海海上风机三脚架基础三立柱之间尾流相互作用机理尚未阐明,三立柱之间波浪近场干涉效应问题亟待进一步研究,因此,本文采用物理模型和数值模拟方法开展了海上风机三脚架基础绕流流场与波浪近场干涉效应的试验及数值研究,主要研究工作如下:1.采用粒子图像测速技术(PIV)和计算流体力学开源软件OpenFOAM开展了不同雷诺数及间距条件下三角形布置三圆柱绕流物理模型试验和三维数值模拟研究,分析了瞬时和时均涡量等值线、时均流线拓扑与时均雷诺应力等尾流特征随雷诺数和间距比的变化规律,探讨了不同雷诺数及间距下圆柱表面压力分布、升阻力系数等动力响应特性。研究结果表明,随雷诺数和间距的变化,可以将流态分为5种:P-D(存在偏斜流的单钝体模态)、P-F(存在交替偏斜流的单钝体模态)、DV(双旋涡脱落模态)、DV-TV(双旋涡脱落和三旋涡脱落之间的过渡模态)和TV(三旋涡脱落模态),而区分不同流态的临界间距随着雷诺数的增大而减小。随着间距和雷诺数的增大,三圆柱尾流的三维特性逐渐增强。由于三圆柱间的尾流干扰作用,与单圆柱相比,其受力特性和旋涡脱落频率存在明显差异。下部串列双圆柱的的平均升力系数始终小于上部圆柱平均升力系数,而上游圆柱的平均阻力系数大于下游圆柱平均阻力系数。2.基于计算流体力学开源软件OpenFOAM,采用质量源项造波方法对不同间距及波浪要素下三角形布置三圆柱波浪近场干涉问题进行了三维数值模拟研究,分析了波浪传播至三圆柱过程中近场干涉及圆柱结构动力响应特性,揭示了波浪爬升特性及圆柱受力特性随间距和波陡参数的变化规律。研究结果表明,在小间距条件下,三圆柱内部波浪干涉作用较强,导致圆柱间隙的波浪传播速度增大和传播方向偏斜,并伴随波浪破碎现象。随着间距比的增大,三圆柱近场干涉效应减弱。随着波陡参数的增大,波浪的非线性作用逐渐增强,爬升比随之增加。三圆柱的受力特性在不同间距下存在不同的变化情况,虽然下游圆柱波浪爬升较大,但并未出现最大的波浪力。
【图文】：

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年份逦省份逡逑图１．１邋２０１２－２０１７年中国海上风电装机容量（左）和２０２０年中国海上风电开发市局（右）逡逑受风机安装和电力运输等条件限制，目前已建成的海上风电场大多位于近海逡逑区域（水深小于５０米），由于水深较浅，基本懫用固定式风机基础。当前海上风逡逑

三脚架,风机,风电,风机基础

年份逦省份逡逑图１．１邋２０１２－２０１７年中国海上风电装机容量（左）和２０２０年中国海上风电开发市局（右）逡逑受风机安装和电力运输等条件限制，目前已建成的海上风电场大多位于近海逡逑区域（水深小于５０米），，由于水深较浅，基本懫用固定式风机基础。当前海上风逡逑Ｉ逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315;P752

【参考文献】