三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)波浪載荷實(shí)驗(yàn)研究

施勇 姜貞強(qiáng) 任年鑫 王濱

隨著環(huán)境惡化問(wèn)題和能源短缺問(wèn)題日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)都在積極尋求構(gòu)建一種清潔、安全、可靠的可再生能源系統(tǒng)。在眾多新能源中，風(fēng)電技術(shù)較為成熟，具有大規(guī)模開發(fā)前景。特別是海上風(fēng)電開發(fā)，以節(jié)約寶貴土地資源、風(fēng)力更穩(wěn)定、風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量更大、年有效利用小時(shí)數(shù)更高、受噪音標(biāo)準(zhǔn)限制更小、運(yùn)輸條件更為便利等優(yōu)勢(shì)，已成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

目前世界范圍內(nèi)的海上風(fēng)電場(chǎng)主要集中在近海淺水區(qū)域，主要采用固定式基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，如單樁、三樁、重力式、導(dǎo)管架式等。其中，三樁基礎(chǔ)在我國(guó)東部近海風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。不同于陸上風(fēng)電結(jié)構(gòu)，除了上部風(fēng)電機(jī)組葉片及塔架風(fēng)載荷，近海風(fēng)電結(jié)構(gòu)還要考慮波浪載荷對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)的重要影響。

各國(guó)學(xué)者通過(guò)理論分析和數(shù)值仿真對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)波浪載荷進(jìn)行了研究，主要是采用Morison及其修正公式、勢(shì)流理論和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等方法求解海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的波浪荷載、動(dòng)力響應(yīng)特征以及樁土耦合效應(yīng)等：部分學(xué)者也通過(guò)物理模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了浮式風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)水動(dòng)力荷載特征數(shù)值計(jì)算結(jié)果的有效性，但鮮見針對(duì)三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)波浪荷載的物理模型實(shí)驗(yàn)研究。

本文主要基于物理模型實(shí)驗(yàn)方法，重點(diǎn)研究三樁基礎(chǔ)近海風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的波浪載荷特征。結(jié)合某實(shí)際工程4MW三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組模型，構(gòu)建三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的縮尺物理模型實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，重點(diǎn)研究典型規(guī)則波浪、不同波浪入射方向和隨機(jī)波浪海況下該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水動(dòng)力響應(yīng)特征。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

該模型實(shí)驗(yàn)在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。波浪水池的主要尺寸為40m×8m×1m，最大工作水深為0.6m：自制推板式低、高頻（長(zhǎng)、短周期）復(fù)合波造波機(jī)，最大波高為0.25m;實(shí)驗(yàn)采用微機(jī)控制及同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于弗洛德數(shù)相似準(zhǔn)則，三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組1：50縮尺物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。此外，在三樁基礎(chǔ)底部對(duì)稱布置4個(gè)高精度防水型測(cè)力天平（協(xié)調(diào)受力），測(cè)試海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3個(gè)平動(dòng)方向的力和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的彎矩，傳感器采樣頻率為100Hz，并在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行了校核標(biāo)定。

水動(dòng)力數(shù)值模型

基于勢(shì)流理論，利用廣泛應(yīng)用于波浪力載荷計(jì)算的AQWA軟件構(gòu)建三樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力數(shù)值模型，如圖2所示。

結(jié)果分析

重點(diǎn)考慮最不利波浪載荷工況，即極端高水位情況，此時(shí)水深10.0m。為了使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更好地指導(dǎo)實(shí)際工程設(shè)計(jì)，現(xiàn)將所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依據(jù)縮尺關(guān)系（λ=1/50）放大到全尺寸模型。

一、典型規(guī)則波浪工況

首先，對(duì)該三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行典型規(guī)則波浪工況的測(cè)試，考慮不同周期波浪的影響（波高均為2m），并將主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)應(yīng)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組的基底水平力和基底彎矩響應(yīng)幅值隨著波浪周期的增加而減小，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有著很好的一致性。基底水平力和基底彎矩的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果小于數(shù)值模擬結(jié)果約5%～7%，即數(shù)值模擬結(jié)果過(guò)高地估計(jì)了三樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)幅值（主要是因?yàn)閿?shù)值模型沒(méi)有考慮波浪粘性阻尼的影響）。可見，基于數(shù)值模擬結(jié)果的工程設(shè)計(jì)是偏于安全的。

此外，進(jìn)一步研究不同波高對(duì)三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組主要?jiǎng)恿憫?yīng)幅值的影響規(guī)律，并將主要實(shí)驗(yàn)結(jié)果與對(duì)應(yīng)數(shù)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組的基底水平力和基底彎矩響應(yīng)幅值隨著波浪波高的增加而呈現(xiàn)近似線性的增加，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有著很好的一致性。與不同波浪周期工況下測(cè)試結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對(duì)比情況相似，基底水平力和基底彎矩的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果小于數(shù)值結(jié)果約5%～8%，即數(shù)值模擬結(jié)果仍較高地估計(jì)了三樁基礎(chǔ)的動(dòng)力響應(yīng)幅值。

此外，進(jìn)一步研究不同波浪入射角度對(duì)三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征的影響（H=2m，T=7s），鑒于該模型為120°對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此選取代表性波浪入射角度分別為：0°、30°、45°、60°，波浪入射與三樁基礎(chǔ)所成角度示意圖如圖5所示。不同波浪入射角度下三樁基礎(chǔ)主要?jiǎng)恿憫?yīng)幅值如表1所示。從表1可以看出，隨著波浪入射角從0°向60°增加，基底水平力和基底彎矩的響應(yīng)幅值逐漸下降，即波浪0°入射角為最不利波浪載荷角度。因此，依照結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)的基本原則，接下來(lái)模型實(shí)驗(yàn)的波浪入射角度統(tǒng)一選擇0°。

二、典型隨機(jī)波浪工況

鑒于實(shí)際海況的復(fù)雜性，進(jìn)一步研究典型隨機(jī)海況下三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)特征。選取JonswaD譜對(duì)不規(guī)則波浪的統(tǒng)計(jì)信息進(jìn)行描述（y=3.3），參考的典型工況（0°入射波浪）如下：

case 1：Hs=2m，Tp=7s，Jonsw印譜（風(fēng)電機(jī)組一般運(yùn)行海況）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，Jonswap譜（風(fēng)電機(jī)組最大運(yùn)行海況）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，Jonswap譜（極端海況）

重點(diǎn)研究上述三種代表性不規(guī)則波浪海況下基底水平力和基底彎矩的響應(yīng)特征，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著三種代表性海況波高的增大，其主要?jiǎng)恿憫?yīng)幅值及波動(dòng)情況也顯著增加，具體相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。該結(jié)果對(duì)于三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的極限結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計(jì)和疲勞性能分析都有著積極的參考價(jià)值。

此外，進(jìn)一步研究代表性PM（Pierson-Moscowitz）譜工況下三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)力響應(yīng)特征，所選取的有義波高和譜峰周期與Jonswap譜一致，具體波浪工況（0°入射波浪）如下：

Case 1：Hs=2m，Tp=7s，PM譜（風(fēng)電機(jī)組一般運(yùn)行海況）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，PM譜（風(fēng)電機(jī)組最大運(yùn)行海況）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，PM譜（極端運(yùn)行海況）

重點(diǎn)研究上述三種代表性不規(guī)則波浪海況下基底水平力和基底彎矩響應(yīng)特征，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，與Jonswap譜相似，隨著三種代表性海況波高的增大，其主要?jiǎng)恿憫?yīng)幅值及波動(dòng)情況也有所增加，具體相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。從表3與表2對(duì)比分析結(jié)果（表4）可以看出，PM譜下的基底水平力和基底彎矩的動(dòng)力響應(yīng)最大值及標(biāo)準(zhǔn)差顯著小于Jonswap譜下的對(duì)應(yīng)結(jié)果，其中，前者的動(dòng)力響應(yīng)最大值約為后者的90%：前者的標(biāo)準(zhǔn)差約為后者的70%～90%。由此可知，三樁基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的最大值對(duì)波譜類型較為不敏感，而三樁基礎(chǔ)的疲勞性能受波譜類型的影響較大。

結(jié)論

通過(guò)構(gòu)建某4MW三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的縮尺實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停^為系統(tǒng)地測(cè)試研究了典型規(guī)則波浪、不同波浪入射方向和隨機(jī)波浪下三樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力載荷特征。對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，數(shù)值模擬結(jié)果略大于實(shí)驗(yàn)結(jié)果（約5%～10%），三樁基礎(chǔ)在0°入射波浪方向上的載荷最大，即最為不利。此外，三樁基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)的最大值對(duì)波譜類型較為不敏感，而三樁基礎(chǔ)的疲勞性能受波譜類型的影響較大（約70%～90%）。