非线性规则波与随机波沿多桩风电基础爬升以及对登陆平台砰击的数值模拟

摘要

随着计算机的软硬件技术的飞速发展，特别是芯片计算能力不断提高、多核并行运算的实现、数据存储力的扩展、数值算法的日臻完善，计算流体力学以其独特的优势成为了与理论和实验相媲美的又一种研究流体的方法。本研究正是利用计算流体力学工具在数值波浪水槽中，以海上风电机典型的圆管单桩、单立柱三桩和五桩基础为研究对象，对非线性规则波和随机波浪下的水体爬升及爬升对维修工作平台的砰击作用进行数值模拟。
　　波浪爬升高度决定了工作平台的设计净空气隙，也和风电机运行中发生偶遇砰击时的瞬间冲击载荷大小息息相关。因爬升过程的流体作用机理复杂，本文主要采用CFD数值模拟的途径，结合与此前物理模型试验的比较，在世界上率先对单立柱多桩基础上的爬升和砰击开展研究。和目前的许多线性规则波研究不同，本研究的重点是非线性规则波和随机波浪。
　　首先，在Fluent软件平台上运用基于层流模型边界造波法，通过给定造波边界处流体的线性波水质点速度和瞬时波面，实现了在数值波浪水槽中使用流体体积VOF法对线性波的精确模拟，另外还将数值模拟与物理水槽造波试验结果进行对比确定出满足精度要求的网格划分方案。在此基础上，以斯托克斯五阶波浪、基于Jonswap谱的线性随机波以及FFT复演方法得到的随机波作为边界输入，实现了非线性规则波和随机波的数值生成，并将数值结果与理论解进行了对比，以确保后续仿真试验的可行性与准确性。对于非线性规则波，研究表明使用Fenton(1998)的Ursell=40判据对波浪进行划分和选择模型是最为合理的，其左域为斯托克斯波，其右域为椭圆余弦波。建议当使用数值水槽进行模拟时，如果波浪参数位于不同波浪理论的分界线附近而难以界定时，应采用流函数计算出的水质点速度与波面瞬时升高作为远场输入。
　　其次，在建立起的数值波浪水槽中，以单立柱三桩和五桩以及圆管单桩基础为研究对象，分别对两个水深进行了多个非线性规则波和随机波工况下波浪爬升的数值模拟。将数值模拟与模型试验结果进行对比，验证了数值模拟与试验的良好吻合性。此外，还将单立柱三桩和圆管单桩基础数值模拟结果对比分析得到了不同基础类型对波浪爬升的影响。在研究中，通过展现在柱面前后水体的流动、汇合、爬升的过程，诠释了爬升分别在较深水和较浅水中的不同演化，也由此给出了波浪在多桩基础上爬升与在最主流的圆管单桩爬升此二者的不同之处。通过CFD模拟的一个重要发现是绕圆桩的最小爬升发生在近柱后的145度，而非之前文献中所载的135度，这为实际海上的维修船人员登陆风电机以及爬梯的前期设计提供了很有意义的参考。随机波的爬升系数m沿用了最大等效波法，虽然相应的假设其正确性有待于进一步验证。通过对m值的回归分析，发现多桩基础的m值，无论是在规则波还是随机波中都和圆管单桩不同;三桩和五桩的规律也不同。水深、波陡等都是影响的因素。
　　最后，以单立柱三桩和五桩基础为研究对象，进行了非线性规则波和随机波下波浪对风机登陆平台砰击作用的数值模拟，并将数值模拟与模型试验结果进行比较与分析，证明在工程上采用CFD方法模拟砰击现象可行，但数值模拟和物理试验模拟的吻合度不尽理想，砰击系数Cs在数值模拟下明显偏小。
　　对于工程而言，m和Cs是最感兴趣的参数，本研究通过CFD数值模拟与试验值比较并对这两个系数进行回归分析，发现使用Ursell比波陡更能够找出m在不同波浪条件下的趋势性，这将为海洋风力机多桩基础的设计与安全性评价提供了另一个科学依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 海上风力发电机基础类型简介

1．3 波浪爬升的国内外研究现状

1．3．1 理论研究

1．3．2 CFD数值计算

1．4 波浪对海上风机登陆平台的砰击载荷研究现状

1．5 本论文的主要工作和创新点

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究目标以及拟解决的关键问题

2 数值波浪水槽

2．1 引言

2．2 基本理论和方法

2．2．1 控制方程

2．2．2 边界和初始条件

2．2．3 离散和求解方法

2．2．4 造波与消波方法

2．3 网格划分方案的确定

2．3．1 Fluent UDF二次开发

2．3．2 边界造波法

2．3．3 数值水槽模型的建立与网格划分

2．3．4 物理水槽中的波浪时历测量

2．3．5 线性波的数值生成与结果讨论

2．4 本章小结

3 非线性规则波与随机波的数值生成

3．1 Stokes五阶波的数值生成

3．1．1 五阶波理论解的比较

3．1．2 数值水槽模型的建立与网格划分

3．1．3 五阶波的数值生成与结果讨论

3．2 随机波的数值生成

3．2．1 Jonswap谱简介

3．2．2 线性随机波理论

3．2．3 二阶非线性随机波理论

3．2．4 线性随机波的数值生成结果

3．3 基于FFT方法的物理试验随机波复演

3．3．2 数值水槽的建立与网格划分

3．3．3 目标波列的数值生成

3．4 本章小结

4 波浪沿风机基础爬升的数值模拟

4．1 引言

4．2 模型试验简介

4．2．1 波浪校准试验

4．2．2 模型试验的布置

4．2．3 试验工况以及爬升值的确定

4．3 非线性规则波下波浪爬升的数值模拟

4．3．1 数值模拟的试验工况

4．3．2 波浪沿单立柱三桩基础爬升的数值模拟

4．3．3 波浪沿单立柱五桩基础爬升的数值模拟

4．3．4 波浪沿圆柱单桩基础爬升的数值模拟

4．4 随机波下波浪爬升的数值模拟

4．4．1 数值模拟的试验工况

4．4．2 波浪沿单立柱三桩基础爬升的数值模拟

4．4．3 波浪沿单立柱五桩基础爬升的数值模拟

4．4．4 波浪沿圆管单桩基础爬升的数值模拟

4．4．5 随机波浪下爬升系数的拟合

4．5 本章小结

5 波浪对登陆平台砰击的数值模拟

5．1 引言

5．2 模型试验简介

5．3 非线性规则波下砰击的数值模拟

5．3．1 数值模拟的试验工况

5．3．2 波浪对三桩和五桩基础登陆平台的砰击数值模拟

5．3．3 三桩和五桩基础登陆平台的砰击系数

5．4 随机波下砰击的数值模拟

5．4．1 数值模拟的试验工况

5．4．2 波浪对三桩基础登陆平台的砰击数值模拟

5．4．3 三桩基础登陆平台的砰击系数

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢