如东海上风电基础周边水动力特性及其波流力计算

摘要

近些年，中国海上风电发展迅速，风机制造业日趋成熟。如东海上风电在提供便利的同时，也产生一些问题。风电场工程的桩基群一般会引起周边海流的流速变化，导致工程附近的水动力发生变化，进而加剧桩基附近泥沙冲淤，容易对当地的地貌形态、港口资源及生态环境等方面带来影响，进而影响着航道通行和周边港口资源的开发利用。而海流荷载和波浪荷载是风电桩基的主要荷载，研究风电桩基的受力分析对风机基础的安全性有极大意义，并且为以后的防护作用提供指导意见。　　本文搜集了工程区域水文资料和的潮流、波浪资料分析了工程海域基本情况和动力环境并总结了前人在水动力数值模拟方面的研究工作。为了探讨如东海上风电基础周边水动力变化特性，基于MIKE21软件建立了二维水动力数值模型。通过工程前的潮位潮流验证，结果表明该模型能够准确真实的模拟工程区的潮流运动，可用于工程后研究水动力变化的模拟计算。实测了工程后的潮流、波浪为波流力的计算提供了边界条件。在CFD上建立圆柱绕流模型，基于VOF数值方法采用流体力学软件Fluent模拟计算了工程区风电桩机所受的波流力。分两种水深工况和三种不同受力情况进行分析。结果发现，纯流动情形，受力从开始突然下降，后上升波动数个周期后趋于某个固定值，而纯波浪则处开始不稳定后，后期大小、正负呈现周期性变化并保持稳定，波流耦合情形与纯波浪相似，但略微复杂。力矩变化与圆柱表面受力变化相似。在纯波浪、纯流以及波流组合条件下桩基所受的力以及力矩值随着水深增大而增大。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．2研究的目的和意义

1．3国内外研究现状

1．3．1水动力模型

1．3．2基于MIKE 21的水动力模型

1．4研究内容与章节安排

1．5本文的创新点

第二章研究海域概况

2．1工程海域基本情况

2．1．1地貌类型

2．1．2地质条件

2．1．3气象条件

2．1．4水体含沙量

2．1．5地形水深资料

2．1．6水文泥沙资料

2．2工程区动力环境

2．2．1潮汐

2．2．1潮流

2．2．3波浪

2．3本章小结

第三章工程后实测水动力环境特征

3．1实测潮流

3．2实测波浪

3．3本章小结

第四章MIKE 21二维水动力模型

4．1控制方程

4．2数值方法

4．3边界条件和干湿判断

4．4初始条件

4．5本章小结

第五章工程建设前后水动力环境对比

5．1模型验证

5．1．1计算范围和网格划分

5．1．2边界条件及参数设置

5．1．3潮位、流速、流向验证

5．2工程前数值模拟的流场特征

5．3工程后数值模拟的流场特征

5．3．1方案一

5．3．2方案二

5．4本章小结

第六章风电机机组的波流力计算

6．1控制方程和边界条件

6．1．1控制方程

6．1．2边界条件

6．2计算模型与网格划分

6．3模拟方法介绍

6．4求解方法

6．5计算结果分析

6．5．1工况1(14．5m水深)

6．5．2工况2(22m水深)

6．6本章小结

第七章结论及展望

7．1结论

7．2展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果