海上半潛式風力發電塔基礎的水動力學特性分析

程友良，薛占璞，李占嶺，趙懷宇，趙洪嵩，賀 忠

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003;2.河北電力勘測設計研究院，石家莊 050000；3.石家莊鐵道大學，石家莊 050000)

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海上半潛式風力發電塔基礎的水動力學特性分析

程友良1，薛占璞1，李占嶺2，趙懷宇2，趙洪嵩1，賀 忠3

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003;2.河北電力勘測設計研究院，石家莊 050000；3.石家莊鐵道大學，石家莊 050000)

提出一種強度與流場分析相結合的方法,利用Solidworks軟件對半潛式基礎進行建模及應力分析，并進行模態分析，比較不同頻率之間振型，得出振動特性，利用FLUENT軟件單向耦合分析法進行速度場和壓力場數值模擬及水動力學特性分析。結果表明，橫梁三角形各個角度的流場和阻力特性變化呈非線性關系，影響流速大小，進而對于側向流及漩渦的形成產生影響，并且側向流越大，越容易形成漩渦。

海上半潛式風力發電塔；應力分析；振動特性；水動力學特性；數值模擬

近年來海上風電發展迅速，海上風力發電塔架高度逐漸增加，高度超過50 m，甚至達到120 m或更高[1]。國外對于浮式基礎的研究較早，半潛式基礎概念和設計許多由荷蘭多家公司及倫敦大學等機構提出并且實施。國內相關的研究工作[2-12]僅從結構動力學或者僅從流體動力學方面分析海上風機基礎，而將兩者結合分析整體基礎強度較少。

為此，考慮從結構動力學和流體動力學兩個方面分析半潛式浮式基礎，采用數值模擬和湍流理論結合方法，創新地將機械強度與流體分析結合應用到模型中，分析其在不同載荷下應力變化幅度情況，不同頻率下模態振型，定量分析半潛式浮式基礎整體周圍流場分布及相關參數。

1 數學模型及有限元分析

1.1 模型建立及網格劃分

半潛式基礎在運輸、控制方面有良好的優越性，近年來在近海區域利用率逐漸提高[13-17]。以海上風力發電塔半潛式Windfloat基礎發電系統實例，見圖1。浮式基礎材料為高強度鋼，屈服極限為355 MPa。為了較好地分析Windfloat基礎，對其進行簡化，見圖2。

圖1 半潛式Windfloat基礎風力發電系統

圖2 Windfloat基礎模型

利用Solidworks軟件模塊simulation對模型進行網格劃分，設置網格的質量為良好，網格類型為三角形網格，采用自動劃分的方式，網格化模型見圖3，節點數為117 615，單元數為99 485。

圖3 網格化模型

1.2 仿真分析

1.2.1 數學模型驗證

按照文獻[8]極限海況下的載荷，許用應力284 MPa,最大等效應力202.364 MPa，最大位移39.538 mm進行設置。對比文獻[8]中LC6浮式基礎整體應力云圖4b)，可知圖4a)、b)應力變化幅度相同，模擬是可行的。

在極限工況下，施加載荷，目的在于分析其承載的極限工況[11-13]。

圖4 Windfloat基礎應力云圖

從應力云圖可知，承受風塔的樁受力在應力范圍允許之內，整個樁應力變化不大，在安全范圍內，符合強度要求。

從位移云圖可知(圖5)，承受風塔的樁穩定性尤為重要，直接關系風塔與樁的相對位置。進而影響整個系統的穩定。圖中位移在0.15 mm與0.02 mm之間浮動，符合穩定性要求。

圖5 Windfloat基礎位移云圖

1.2.1 模態分析

在Windfloat基礎固有頻率情況下，提取前5階非零模態振型。與前5階非零模態振型對應的頻率分別為58、102、238、307及348 Hz。

Windfloat基礎自由振動方程為

(1)

式中：ω——自由振動固有頻率，特征方程為

(2)

即可求出多項式的根(特征值)即為離散模型的固有頻率，求出特征向量，獲取相應的振型。

由振型圖分析可知，Windfloat基礎第3階模態(f=238 Hz)變形量大，最大位移在22 mm(圖6)，應在實際運行中監測頻率，避免在此頻率下運行，其余振型位移量變化幅度不大，屬于正常運行。

圖6 Windfloat基礎3階振型

經過應力及模態分析可知，此模型能夠滿足強度及穩定性要求。

2 水動力學特性分析

2.1 Windfloat基礎模型

將Solidworks建立的基礎模型導入ANSYS ICEM CFD中，進行模型設置，幾何檢查及修復，如圖7為ICEM CFD環境中的幾何模型。

圖7 ICEM CFD幾何模型

2.2 控制方程及湍流模型

Windfloat基礎附近海域為粘性不可壓縮流體，運動類型為湍流運動。控制方程為

連續性方程：

(3)

動量方程：

(4)

湍動能k的方程：

(5)

湍動能耗散率ε的方程：

(6)

為了使湍流運動分布均勻，連續性強，這里采用k-ε湍流模型，魯棒性好，此類模型可以有效模擬海上水域流動特性[18-22]。

2.3 計算域及網格劃分

Windfloat基礎計算域如圖8所示，計算域大小為長40 m、寬30 m、高40 m。Windfloat基礎位置分布在長方體區域長寬高1/4處，在ICEM CFD環境中劃分網格，網格類型為Tetra/Mixed，節點數為101 699，單元數為98 488，結構中立柱網格邊長及密度較大，邊長為0.09，斜撐和橫梁密度較小。

圖8 計算域位置圖

網格質量檢查良好，能夠保證在有限元計算中準確性。圖9為ICEM CFD環境中的網格模型。增加網格的密度，其模擬結果誤差在0.4%之內，進行網格無關性驗證，證明此網格模擬可行[23-27]。

圖9為網格化的Windfloat基礎，通過網格收斂性驗證，有限元網格單元尺寸大小對計算結果的影響，單元尺寸減小而應力變化不明顯，控制在1%之內，因此計算是可行的。

圖9 網格化模型

2.4 邊界條件設置

計算域中左端面為速度進口，數值為1.8 m/s，這符合海上實際流速情況；右端面為壓力出口；2個側面、頂面為對稱邊界條件；底面以及Windfloat基礎各面為無滑移壁面。

2.5 數學模型的驗證

邵萬駿等[3]在人工魚礁水動力學特性實驗作出相關曲線，唐友剛[5]在海上風機半潛式水動力性能得出相關實驗數據，這里基于FLUENT14.0單向耦合分析,數值模擬測得流速數據曲線，實驗測量點位置分布見圖10。

圖10 測量點位置

通過文獻[3]、文獻[5]流速的實驗值與本人模擬值的比較可知，圖11各個點實驗值與模擬值的誤差在允許范圍之內，此數值模擬是可行的。

圖11 測量點實驗值與模擬值比較

2.6 數值模擬結果及分析

當計算域中Windfloat基礎三角橫梁角度為60°,60°,60°，來流速度為1.2 m/s時，出口垂直剖面的壓力點云分布如圖12。

圖12 垂直剖面壓力點云分布圖(x=0)

壓力分布是衡量海水流動方向及速度的重要參數，從圖12可知，垂直剖面壓力分布，接近對稱分布，連續性頻率的波浪力作用，導致壓力點云分布對稱，這說明在Windfloat基礎周圍水流動呈連續性，在實際的水運動中有一定的能量循環，符合水流動特性。當位置從0～250 m及-250～0 m進行對比，可知壓力呈現類似正態分布點云圖，最大變化量為1 200 Pa，點云對稱分布，這為測量數據提供參考。

為了準確描述Windfloat基礎周圍流場分布，設置來流速度仍為1.2 m/s，如圖13為Windfloat基礎速度矢量圖。與此對應的整體速度矢量見圖14。從圖13中可知，當水流經過Windfloat基礎樁時，流向改變，向兩邊排開，在樁的上部和下部形成小的旋渦，流速變小，沒有危險區域。在樁正前部，會產生側向流。從圖14可知，樁在經過流水時，速度變化幅度不大，側向流在樁附近速度疊加，導致速度變化幅度加大。

圖13 垂直剖面速度矢量圖(x=0)

圖14 Windfloat基礎速度矢量圖

水經過Windfloat基礎的阻力曲線是監測流速平緩與否的重要參數，如圖15為阻力曲線，橫坐標為迭代步數，從中可知，阻力從零開始有一段跳躍性變化，這是在剛開始監測初始化。在200～500步時，阻力曲線趨于平滑，沒有大幅度增減。經過三角橫梁角度改變，多次數值模擬阻力曲線，三角形橫梁的角度與阻力曲線為非線性關系。4條曲線由上到下對應三角形橫梁的角度依次為：60°，60°，60°；30°,60°,90°；120°,30°,30°；45°,45°,90°；圖16為不同角度下的阻力，橫坐標為迭代步數，從中可知，三角形橫梁角度應根據海域流速大小及阻力變化幅度決定。

圖15 Windfloat基礎阻力

圖16 三角形橫梁不同角度阻力變化

2.7 機械結構強度與流場結合分析

從以上結構動力學與流體動力學分析可知，半潛式Windfloat基礎結構強度應力云圖與整體流場基礎矢量圖之間有一定聯系，只有在滿足強度要求下，周圍流場才能夠符合流體運動的一般規律。因此，在分析流場之前，應進行結構強度分析。此Windfloat基礎的應力變化幅度，符合強度要求，剖面及整體速度矢量圖符合流體湍流運動的一般規律。

3 結論

1)通過對Windfloat基礎應力及模態分析，得到不同應力變化幅值及模態振型圖對結構破壞至關重要，在實際應用中，應該在一定時間內，監測應力變化及模態情況，避免發生結構破壞。

2)Windfloat基礎周圍流場分布、阻力變化情況與流速、橫梁角度有關，當橫梁角度全為60°時，阻力變化平緩，適合海水流速變化平穩的情況；其余橫梁角度適合于波浪與海流耦合的情況。這些橫梁角度結合剖面的速度矢量分布，給實際制造及監測提供參考。

3)橫梁三角形角度的不同將影響側向流大小，進而形成旋渦，側向流越大，形成速度疊加，越容易形成旋渦。利用結構動力學與流體動力學結合的方法，將進一步對半潛式基礎的結構設計，提供技術支持。但在實際阻力監測中，數值模擬與實際監測有誤差是必然的，在一定允許誤差范圍內數據是正確的。海上半潛式基礎不僅受到波浪、海流作用，還受到風、地震等載荷作用，因此，對半潛式基礎進行多載荷響應分析是未來的研究重點。

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On Hydrodynamic Characteristics of the Foundation of Offshore Semi-submersible Type of Wind Power Tower

CHENG You-liang1, XUE Zhan-pu1, LI Zhan-ling2, ZHAO Huai-yu2, ZHAO Hong-song1, HE Zhong3

(1.School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding Hebei 071003, China;2.Hebei Electric Power Survey and Design Institute, Shijiazhuang 050000, China;3.Shijiazhuang Railway University, Shijiazhuang 050000, China)

For the semi-submersible foundation of offshore wind power tower, the stress and hydrodynamic characteristics were studied numerically. In Solidworks, the structural model was built up to carry out the stress and modal analysis. The vibration modes of different frequencies were compared to study its vibration characteristics. In FLUENT, the velocity field and pressure field were simulated numerically to study the hydrodynamic characteristics. The results showed that the angle of the cross beam triangle has a certain nonlinear influence on the flow velocity and the resistance, as well as the formation of lateral flow and the vortex; and the larger the lateral flow is, the more easily a whirlpool forms.

offshore semi-submersible type of wind power tower; stress analysis; vibration characteristics; hydrodynamic characteristics; numerical simulation

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.038

2016-04-12

國家自然科學基金重點基金(11232012)

程友良(1963—)，男，博士，教授

U661.1;TK 83

A

1671-7953(2016)05-0151-06

修回日期：2016-04-29

研究方向:流體動力學理論及其應用、流體設備與節能、可再生能源理論及其應用、清潔能源利用技術與設備

E-mail:shenghuo66@163.com