湍流风与浮冰联合作用下近海风力机动力学响应
发布时间：2021-11-14 15:36
以NREL 5 MW近海风力机为研究对象,基于Kaimal平稳随机风速谱模型建立风力机全域湍流风,同时采用Matlock模型计算动态冰力,模拟风力机所受冰激振动,研究在风-冰联合环境载荷作用下近海风力机动力学响应。结果表明:冰激振动极大地加剧塔顶各向振动;频域上,冰激振动影响主要集中于塔架1阶固有频率和叶片1阶摆振频率,且相应峰值与冰厚呈正相关关系;受冰激振动作用,塔架各向剪切力明显增加,且塔顶和塔基附近增幅大于塔身中部。
【文章来源】：热能动力工程. 2019,34(09)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
Kaimal风速功率谱密度(额定风速)Fig．1PowerspectraldensityofthewindspeedofKaimal
m/s。破碎长度为:Δl=c·h(8)式中:c—经验系数。基于Korzhavin公式和浮冰破碎周期理论，采用Matlock模型计算作用于风力机塔架上动冰力，模拟冰激振动。如图2所示，Matlock模型将冰－构作用过程抽象为线性弹性冰齿对弹簧阻尼振子不断碰撞。系列冰齿即代表浮冰，弹簧阻尼振子为柔性海工结构。当冰齿与振子接触，弹性作用力不断增加达到Korzhavin极限冰力后，冰齿发生断裂并假设不再对之后作用产生任何影响。冰齿移动速度即为冰速，冰齿间距由浮冰破碎长度决定。图2Matlock模型Fig．2Matlockmodel发生接触冰齿变形量:s=z(t)－x(t)－P(N－1)(9)式中:s—冰齿变形量，m;x(t)—弹簧振子位置，m;P—相邻冰齿间距，m;N—冰齿序号。冰齿位移为:z(t)=νicet+z0(10)式中:z(t)—冰齿位移，m;z0—冰齿初始位置，m。冰力为:Fice=kices，0＜s＜smax0，s≤0，s=s{max(11)式中:Fice—极限冰力，N;kice—冰齿刚度，N/m;smax—冰齿极限形变，m。冰齿断裂条件为当冰力达到Korzhavin极限冰力Fmaxice，即:Fmaxice=kicesmax(12)·521·
表1NＲEL5MW近海风力机参数Tab．1ParametersofNＲEL5MWoffshorewindturbine参数数值功率/MW5．0叶片数3风轮直径/m126．0轮毂直径/m3．0轮毂高度/m90切入风速/m·s－13．0切出风速/m·s－125额定风速/m·s－111．4风轮质量/kg1．1×104机舱质量/kg2．4×105桩柱数目1．0考虑塔架前2阶模态，叶片前2阶挥舞和1阶摆振模态，其他高阶模态频率高于多数环境载荷激励频率，对风力机动态响应影响较小，故可忽略不计［36］。叶片和塔架模态如图3所示。2．2动力学计算以凯恩方法建立风力机多体动力学模型。凯恩方法基于达朗贝尔原理，鉴于广义坐标对非完整系的不独立性，以广义速率代替广义坐标作为独立变量描述系统运动。凯恩动力学方程为:Fr+F*r=0，r=1，2，…N(13)式中:Fr—广义主动力，N;F*r—广义惯性力，N。则风力机系统的广义主动力施加于质心:Fr=∑si=1EvNi·FNi+EωNi·MNi，r=1，2，…，N(14)式中:s—部件数目;FNi—第Ni刚体上的主动力，N;MNi—第Ni刚体上的主动力矩，N·m;EvNi—第Ni刚体上的速度，m/s;EωNi—第Ni刚体上的角速度，rad/s。图3叶片和塔架模态Fig．3Themodesofbladeandtower广义惯性力为:F*r=∑si=1EνNi·(－mNiEaNi)+EωrNi·(－EH·Ni)，r=1，2，…N(15)式中:mNi—第Ni部件广义质量，kg;EaNi—第N
【参考文献】：
期刊论文
[1]渤海海域单柱三桩式海上风电结构冰激振动分析[J]. 黄焱,马玉贤,罗金平,陈法波,田育丰. 海洋工程. 2016(05)
[2]海上风力发电体系在风-冰作用下的动力反应[J]. 李静,陈健云,陈小波,刘志强. 太阳能学报. 2013(07)
[3]海洋平台结构的冰力作用模型[J]. 欧进萍,王刚,段忠东. 海洋工程. 2002(01)
[4]海冰作用下平台结构自激振动的参数分析与响应的数值计算[J]. 欧进萍,段忠东,王刚. 工程力学. 2001(05)
[5]海冰引起结构振动的研究与进展[J]. 佟建峰,史庆增. 船舶工业技术经济信息. 2001(10)
[6]海冰工程中的结构力学问题[J]. 柳春图,段梦兰. 机械强度. 1995(03)
[7]海冰静力作用的特点及几种典型结构的冰力模型试验[J]. 史庆增,宋安. 海洋学报(中文版). 1994(06)
[8]渤海老二号平台被冰推倒的调查结论[J]. 段梦兰,方华灿,陈如恒. 石油矿场机械. 1994(03)
[9]冰与结构动力相互作用的理论分析模型[J]. 王翎羽,徐继祖. 海洋学报(中文版). 1993(03)
[10]海冰引起的结构振动[J]. 徐继祖. 海洋工程. 1986(02)
博士论文
[1]冰激海洋平台振动的动力模型试验研究[D]. 黄焱.天津大学 2004
本文编号：3494897
【文章来源】：热能动力工程. 2019,34(09)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
Kaimal风速功率谱密度(额定风速)Fig．1PowerspectraldensityofthewindspeedofKaimal
m/s。破碎长度为:Δl=c·h(8)式中:c—经验系数。基于Korzhavin公式和浮冰破碎周期理论，采用Matlock模型计算作用于风力机塔架上动冰力，模拟冰激振动。如图2所示，Matlock模型将冰－构作用过程抽象为线性弹性冰齿对弹簧阻尼振子不断碰撞。系列冰齿即代表浮冰，弹簧阻尼振子为柔性海工结构。当冰齿与振子接触，弹性作用力不断增加达到Korzhavin极限冰力后，冰齿发生断裂并假设不再对之后作用产生任何影响。冰齿移动速度即为冰速，冰齿间距由浮冰破碎长度决定。图2Matlock模型Fig．2Matlockmodel发生接触冰齿变形量:s=z(t)－x(t)－P(N－1)(9)式中:s—冰齿变形量，m;x(t)—弹簧振子位置，m;P—相邻冰齿间距，m;N—冰齿序号。冰齿位移为:z(t)=νicet+z0(10)式中:z(t)—冰齿位移，m;z0—冰齿初始位置，m。冰力为:Fice=kices，0＜s＜smax0，s≤0，s=s{max(11)式中:Fice—极限冰力，N;kice—冰齿刚度，N/m;smax—冰齿极限形变，m。冰齿断裂条件为当冰力达到Korzhavin极限冰力Fmaxice，即:Fmaxice=kicesmax(12)·521·
表1NＲEL5MW近海风力机参数Tab．1ParametersofNＲEL5MWoffshorewindturbine参数数值功率/MW5．0叶片数3风轮直径/m126．0轮毂直径/m3．0轮毂高度/m90切入风速/m·s－13．0切出风速/m·s－125额定风速/m·s－111．4风轮质量/kg1．1×104机舱质量/kg2．4×105桩柱数目1．0考虑塔架前2阶模态，叶片前2阶挥舞和1阶摆振模态，其他高阶模态频率高于多数环境载荷激励频率，对风力机动态响应影响较小，故可忽略不计［36］。叶片和塔架模态如图3所示。2．2动力学计算以凯恩方法建立风力机多体动力学模型。凯恩方法基于达朗贝尔原理，鉴于广义坐标对非完整系的不独立性，以广义速率代替广义坐标作为独立变量描述系统运动。凯恩动力学方程为:Fr+F*r=0，r=1，2，…N(13)式中:Fr—广义主动力，N;F*r—广义惯性力，N。则风力机系统的广义主动力施加于质心:Fr=∑si=1EvNi·FNi+EωNi·MNi，r=1，2，…，N(14)式中:s—部件数目;FNi—第Ni刚体上的主动力，N;MNi—第Ni刚体上的主动力矩，N·m;EvNi—第Ni刚体上的速度，m/s;EωNi—第Ni刚体上的角速度，rad/s。图3叶片和塔架模态Fig．3Themodesofbladeandtower广义惯性力为:F*r=∑si=1EνNi·(－mNiEaNi)+EωrNi·(－EH·Ni)，r=1，2，…N(15)式中:mNi—第Ni部件广义质量，kg;EaNi—第N
【参考文献】：
期刊论文
[1]渤海海域单柱三桩式海上风电结构冰激振动分析[J]. 黄焱,马玉贤,罗金平,陈法波,田育丰. 海洋工程. 2016(05)
[2]海上风力发电体系在风-冰作用下的动力反应[J]. 李静,陈健云,陈小波,刘志强. 太阳能学报. 2013(07)
[3]海洋平台结构的冰力作用模型[J]. 欧进萍,王刚,段忠东. 海洋工程. 2002(01)
[4]海冰作用下平台结构自激振动的参数分析与响应的数值计算[J]. 欧进萍,段忠东,王刚. 工程力学. 2001(05)
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[6]海冰工程中的结构力学问题[J]. 柳春图,段梦兰. 机械强度. 1995(03)
[7]海冰静力作用的特点及几种典型结构的冰力模型试验[J]. 史庆增,宋安. 海洋学报(中文版). 1994(06)
[8]渤海老二号平台被冰推倒的调查结论[J]. 段梦兰,方华灿,陈如恒. 石油矿场机械. 1994(03)
[9]冰与结构动力相互作用的理论分析模型[J]. 王翎羽,徐继祖. 海洋学报(中文版). 1993(03)
[10]海冰引起的结构振动[J]. 徐继祖. 海洋工程. 1986(02)
博士论文
[1]冰激海洋平台振动的动力模型试验研究[D]. 黄焱.天津大学 2004
本文编号：3494897
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/xnylw/3494897.html
