臺風?浪?流耦合作用下海上10 MW級特大型風力機風荷載特性分析

柯世堂 王碩 趙永發 張偉 李曄

摘要 為揭示海上臺風?浪?流耦合作用下海上風力機的風荷載分布特性，以廣東外羅10 MW特大型風力機為研究對象，采用Model Coupling Toolkit（MCT）建立中尺度WRF?SWAN?FVCOM（W?S?F）實時耦合模擬平臺，分析超強臺風“威馬遜”過境全過程海上風電場臺風?浪?流的時空演變，再結合中/小尺度嵌套方法分析了風力機風荷載分布特性與葉片?塔筒?波浪面之間的干擾效應，提出了極端風況下海上風力機典型位置極值荷載模型。結果表明：建立的中尺度W?S?F耦合平臺能準確模擬臺風、波浪和海流間的相互作用；塔筒風荷載在葉片干擾段以橫風向為主，在波浪干擾段以順風向為主，并在低空波面附近表現出較強的脈動特征；A位置葉片最安全而B位置最危險；T4相位為海上風力機單樁基礎強度設計的最不利相位，基底剪力最大達7.68×106量級，基底彎矩最大達5.2×108量級。

關鍵詞 風荷載分布; 臺風?浪?流耦合模擬; 海上風力機; 中/小尺度嵌套; 干擾效應

引 言

與陸上相比，海上風力機運行環境更加惡劣，承受復雜多變的風況與海況，面臨臺風、巨浪、急流等極端復雜海洋環境的嚴峻挑戰。尤其是臺風過程中三者交互運動衍生出臺風?浪?流耦合的復雜形態［1?2］，由此導致的海上風力機風毀事故屢見不鮮［3?6］，成為海上風電產業持續發展的技術瓶頸。

目前，針對臺風形成的極端海洋氣候的研究主要依賴于數值模擬。其中，WRF模式可考慮多物理過程模擬真實大氣和地形下的風場，是目前應用最廣泛的臺風研究與預報技術［7］；第三代海浪模式SWAN可模擬近岸波浪傳播變形、風浪及涌浪，在中國渤海［8］、東海［9］和南海［10］的臺風浪模擬中得到了大量驗證；有限體積海洋模式FVCOM具備模擬海灣、灘涂等復雜邊界對于海流動力環境影響的能力，廣泛應用于海流運動的研究［11］。然而，臺風、浪、流三者在交互運動中存在強烈的耦合作用：臺風掀起巨浪顯著改變海表面粗糙度；波浪輻射應力為海流流動提供驅動力；海流運動導致波浪傳播變形。已有研究大多忽略了臺風、浪、流三者間的反饋信息，單一模式無法精確模擬臺風過程中的特異性風場。

考慮到臺風模擬網格分辨率為千米量級，而風力機結構僅有百米量級，若要準確模擬其結構表面的荷載分布狀況，則需提取厘米級以下的邊界層網格信息，此時上述中尺度模式將完全失效。小尺度CFD擅長模擬結構物附近的流體運動與壓力波動，被廣泛應用于近海風力機風荷載分析［12?16］。采用中/小尺度嵌套方法［17?18］進行海上風力機臺風場的降尺度模擬是解決該問題的新思路，其中中尺度流場與小尺度結構的多層次網格嵌套、高精度傳遞、多時間尺度控制、跨尺度突變等問題的處理是關鍵。

鑒于此，基于MCT建立中尺度W?S?F耦合模擬平臺，首先分析了“威馬遜”過境中國南海，廣東外羅風電場中的臺風?浪?流的時空演變特性；其次，結合小尺度CFD臺風?浪?流數值水池分析了極端工況下風力機結構風載荷分布特性；最后，分析葉片?塔筒?波浪面之間的干擾效應，并提出了海上風力機典型位置極值荷載模型。

1 中/小尺度嵌套方法

1.1 總體嵌套模擬方法

基于MCT建立中尺度W?S?F實時雙向耦合模擬平臺，首先模擬超強臺風“威馬遜”過境廣東外羅風電場的海洋環境，主要包括：臺風場風速、波浪場波形要素、海流場潮位及流速等要素的時空分布信息；其次將上述計算結果作為小尺度CFD臺風?浪?流水池的入流邊界條件，實現中/小尺度嵌套模擬；在此基礎上，提煉出臺風?浪?流耦合作用下海上風力機結構的風荷載分布特性。嵌套主要流程如圖1所示。

1.2 中尺度W?S?F耦合平臺

W?S?F耦合平臺數據傳遞框架如圖2所示。平臺通過MCT調動數據交換，實現各子模式之間的實時耦合。其中，WRF向SWAN，FVCOM傳遞風速，用以生成波流運動的驅動風場；FVCOM向WRF傳遞海表溫度，更新WRF子模式的下墊層溫度進而影響臺風強度和路徑；FVCOM向SWAN傳遞海流的潮位與流速，影響波浪的波形要素變化；SWAN向FVCOM傳遞波形要素，影響海流的運動過程和分布形式；SWAN向WRF傳遞波形要素，影響臺風的風速剖面與運動過程。

1.3 小尺度CFD數值水池

圖3給出了臺風?浪?流數值水池三維模型示意圖。臺風、波浪與海流均沿X軸正向傳播，并在水池尾部添加動量源阻尼以實現消波［19］。選用RNG k?ε湍流模型，基于三維雙精度分離式求解器，采用PISO算法實現壓力與動量的解耦。壓力方程選用加權體積力格式，自由面重構方法采用Modified HRIC，邊界條件設置如下：出入口分別采用速度入口與壓力出口，底面設為壁面邊界，其余邊界采用對稱邊界。

相比線性波，二階Stokes波存在質點漂移和質量前移，更接近實際海況，速度勢φ（x，z，t）為：

式中 H，T，L和d分別為波浪的波高、周期、波長和靜水深度；k為波數；ω為圓頻率。

波高方程η（x，t）為：

波浪水平向流速uwx為：

波浪垂直向流速uwz為：

海流速度沿水深分布據1/7指數率［20］：

式中 vc為海流的水深平均流速。

水質點水平向速度根據波流共同作用下流速場理論［21］定義：

波面以上的臺風風速依據《建筑結構荷載規范》［22］采用指數率梯度風定義：

式中 U10為基本風速；α為風剖面指數。

2 數值模擬

2.1 中尺度W?S?F模擬

模擬對象為2014年第9號臺風“威馬遜”，最大風力等級達17級，為建國以來登陸中國的最強臺風［23］。WRF子模式模擬包含7月16日6時到19日6時臺風登陸南海全過程。大氣初始邊界條件基于全球歷史再分析FNL數據，區域空間分辨率為1°×1°。水平方向采用三層雙向自嵌套Arakawa C網格，其分辨率從外至內依次為9 km（d01），3 km（d02），1 km（d03）；最高等壓面取為5000 Pa，高度方向沿地形歐拉質量坐標系共設置37層網格，其中1000 m以下設置19層。地圖投影采用Mercator方案，WRF模擬參數化方案如表1所示。

FVCOM，SWAN共用一套非結構化網格。對近岸和水深變化劇烈處網格進行加密，最小網格間距為200 m，最大網格間距為10 km，網格總數約為7.5萬，網格劃分如圖4所示。

SWAN子模式海浪譜頻率范圍為0.04～1 Hz并離散為100個頻段，風速數據來自WRF子模式計算結果，并考慮白帽耗散、底摩擦、波破碎及波?波非線性作用等物理過程；FVCOM子模式采用σ坐標系，沿高度方向設置15層網格。初始海溫采用NECP提供的0.5°×0.5°分辨率全球日平均海表溫度RTG_SST，潮位開邊界使用CHINATIDE提取。

2.2 W?S?F模擬有效性驗證

表2給出了W?S?F平臺、單WRF模式與日本氣象臺（JMA）臺風路徑對比結果。相比JMA最佳路徑，單WRF模式與W?S?F平臺模擬的臺風移動路徑均略偏北。單WRF模式的平均誤差為43.85 km，而W?S?F的平均誤差為25.21 km，W?S?F耦合平臺對于臺風路徑的模擬精度提高了42.51%，最小誤差僅有12.16 km。

以AVISO發布的Jason?2衛星波高遙感數據作為驗證資料，圖5給出了W?S?F平臺波高模擬驗證示意圖。由圖5可知：相比單一SWAN模式，W?S?F平臺模擬結果與JASON?2衛星數據更加吻合，尤其在大波高區間具有更高的模擬精度，可驗證中尺度W?S?F耦合平臺模擬結果的有效性。

2.3 中尺度模擬結果分析

圖6給出了臺風登陸廣東時臺風?浪?流耦合模擬結果示意圖。由圖6可知：臺風在移動過程中風場圍繞臺風眼呈逆時針旋，且后眼壁區域風速大于前眼壁；波高的空間分布呈現“月牙狀”，臺風眼附近形成小浪區而在右側形成大浪區；海流場對風場的響應存在顯著的滯后性和偏右性，海流圍繞臺風眼后方逆時針流動，右側流速顯著大于左側，且在臺風眼右后方出現流速較大的回流區；在海南和廣東登陸時，由于近岸淺水效應導致波高迅速降低，海流流速顯著加快。

圖7給出了外羅風電場臺風過境時的臺風、浪、流時程曲線。由圖7可知：基本風速隨臺風過境不同階段呈現M型變化規律，基本風速最大值為45.54 m/s，出現在臺風后眼壁區域（55 h）；波浪與海流隨臺風場的響應具有一定滯后慣性，波高最大值為8.85 m；海流流速最大值為2.408 m/s。

2.4 小尺度CFD模擬

圖8給出了海上風電場中風速最大時的臺風剖面及湍流剖面。由圖8可知：由W?S?F耦合平臺輸出結果擬合風剖面指數為0.091，而規范［22］定義A類地貌的對應值為0.12，且同一高度處臺風場的風速與湍流度數值明顯高于A類良態風場。

已有研究表明：葉片完全遮擋塔筒時，風力機體系抗風性能處于最不利停機位［24］。CFD模擬的入流邊界選自W?S?F平臺中風速最大時的臺風?浪?流參數，工程概況如表3所示。

2.5 CFD網格劃分

表4給出了不同網格方案下的參數對比。由表4可知：隨著網格數的增加，網格質量逐漸增高，波高誤差和網格歪斜度呈現逐漸減小趨勢。方案四和方案五表明：隨網格數量增加測點壓力系數變化很小，方案五已達到網格無關條件，選取網格總數為3590萬的方案。

圖9為臺風?浪?流數值水池網格劃分示意圖。網格劃分采用混合網格離散形式，將整個計算域分為內外兩個部分。核心加密區采用四面體非結構化網格，風力機結構壁面第一層網格高度取為0.002 m，漸變率為1.1，y+值范圍在30～50。外圍區域較為規整，采用六面體結構化網格，近波面網格分辨率取為Δx=L/150，Δy=H/10，Δz=H/30。

2.6 CFD模擬有效性驗證

圖10給出了風力機未干擾段平均風壓與規范曲線對比示意圖。分析可知，臺風場作用下風力機未干擾段塔架平均壓力系數與規范［22］沿環向分布規律基本一致，僅在背風區和側風面的負壓極值區略小于規范值，可驗證CFD模擬的有效性。

3 風荷載特性分析

3.1 塔筒荷載分布

圖11定義了風力機塔筒和葉片局部坐標系示意圖，其中X向為順風向風荷載，Y向為橫風向風荷載，Z向為軸向風荷載。

將塔筒從下至上平均分為15段，每段10 m，分別為Cy1～Cy15。圖12給出了風荷載沿塔筒高度分布箱視圖，圖中左右邊界線為該段塔筒風荷載最值，矩形左、右沿代表概率分布為25%，75%的荷載值，標簽數值為模擬時間內風荷載均值。分析可知：Cy1～Cy5分段風荷載受波浪起伏干擾影響較大，但隨高度增加影響作用逐漸減弱；順風向風荷載分別在Cy15，Cy12達到正、負最值，橫風向風荷載分別在Cy10，Cy7分段達到正、負最值，并在Cy12與Cy13分段出現順風向負值風荷載。葉片干擾段以橫風向風荷載為主，波浪干擾段以順風向風荷載為主。

3.2 干擾效應分析

為探究波浪面起伏對塔筒風荷載的干擾效應，圖13給出了波浪面干擾段塔筒風荷載時程曲線。由圖13可知：低空波面附近塔筒（Cy1～Cy2）所受風荷載受波浪起伏的干擾表現出較強的脈動特征，氣流略過波峰產生加速效應導致順風向風荷載出現“峰刺”激增現象，最大瞬時風荷載可達108 kN；橫風向風荷載表現為無明顯規律的正負交替。

為探究“塔影效應”對塔筒風荷載的干擾，圖14給出了塔筒沿高度方向的典型截面壓力云圖。由圖14可知：未干擾段塔筒附近壓力場沿0°入流角呈現對稱分布；隨葉片遮擋面積的增大，塔筒與葉片之間的正壓區域逐漸縮小，至Cy11分段正壓區域消失。Cy13段塔筒周圍已無正壓區域，葉片與塔筒迎風面之間形成局部負壓增幅區，且塔筒背風面壓強大于迎風面導致其在順風向出現負值荷載。

湍動能TKE（Turbulent Kinetic Energy）是單位質量流體的湍流脈動動能，是衡量湍流混合能力的重要指標，其表達式如下：

式中 u，，v，，w，分別為x，y，z方向的脈動風速。

圖15給出了塔筒沿高度方向典型截面湍動能分布云圖。由圖15可知：來流風經過葉片產生湍動能增幅區，在葉片上下邊緣處湍動能值較大，背風面湍動能值較小。Cy11與Cy15截面的葉片和塔筒之間風場湍動能數值較大，導致壓力場壓力梯度較大；Cy13截面塔筒附近湍動能數值較小，導致該分段塔筒風荷載脈動特征相對較弱。

3.3 葉片荷載分布

圖16給出了各葉片風荷載分布箱視圖。由圖16可知：順/橫風向風荷載沿葉展方向的變化較一致，均呈現先增大后減小的變化規律；順/橫風向風荷載最大值分別出現在距葉根21 m，13 m處，兩者最小值均出現在葉尖位置，且橫風向風載在葉尖附近接近于零；相比葉片A和C，葉片B在下半段風荷載表現出較強的脈動特征。“塔影效應”對塔筒風荷載干擾效應較強而對葉片干擾較弱。

圖17給出了葉片B，C附近流場的湍動能分布云圖。由圖17可知：來流風經過葉片產生湍動能增幅區，在葉片上下邊緣處湍動能值較大，在遠流場區域，湍動能逐漸耗散減小。相比葉片C，葉片B在葉根附近具有更大的湍動能值，導致其風荷載表現出更強的脈動特性。

圖18給出了風力機葉根風荷載箱視圖，圖中上下三角形為荷載最值，圓點為模擬時間內風荷載均值，箭頭代表作用力方向。由圖18可知：順風向風荷載占主導地位，順風向葉根剪力約為橫風向的兩倍，最大值達到6.24×105量級；順風向葉根彎矩約為橫風向的三倍，最大值達到2.45×107量級；葉根扭矩值僅為2.31×105量級。葉片A位置低，風速小，所受風荷載最小且脈動特性最弱，為最安全葉片；葉片B所受風荷載略大于葉片A與C且脈動特性最強，為最危險葉片。

3.4 極值荷載

圖19給出了風輪及塔筒根部極值荷載示意圖。由圖19可知：風輪荷載主要集中在軸向推力與風輪轉矩，軸向推力達到1.71×106量級；三個葉片的側向力與偏航力矩接近內力平衡狀態，合力量級較小。塔筒根部風荷載集中在順風向，而橫風向風荷載減小一個量級；順風向剪力達到2.3×106量級，順風向彎矩達到3.16×108量級，扭矩數值極小，可忽略不計。

圖20給出了不同波浪相位下基礎柱荷載極值示意圖。由圖20可知：基底剪力與根部彎矩最大值均出現在T4相位，為海上風力機單樁基礎強度設計的最不利相位。基底剪力最大達到7.68×106量級，其中水動荷載占主體；基底彎矩最大達到5.2×108量級，其中風荷載占主體。基底扭矩比彎矩值小三個量級，且基本為上部機體風荷載所致，水動荷載對基底扭矩的貢獻極小，可忽略不計。

4 結 論

基于建立的W?S?F實時耦合模擬平臺，提煉了臺風“威馬遜”過境時外羅海上風電場的臺風、浪、流參數，并采用中/小尺度嵌套的降尺度方法模擬并分析了臺風?浪?流極端工況下最不利停機位風力機結構風載荷分布特性：主要結論如下：

（1）建立的W?S?F耦合平臺可準確模擬臺風過程中臺風、波浪與海流的時空分布與演化特性，臺風路徑的模擬精度較單WRF模式提高了42.51%；

（2）塔筒在葉片干擾段以橫風向風荷載為主，而在波浪干擾段以順風向風荷載為主，低空波面附近塔筒所受風荷載受波浪起伏的干擾表現出較強的脈動特征，風荷載存在“峰刺”激增現象；

（3）葉片上風荷載以順風向風為主導，且沿葉展方向呈現先增大后減小的變化規律；A位置葉片最安全而B位置葉片最危險；

（4）T4相位為海上風力機單樁基礎強度設計的最不利相位，基底剪力最大達到7.68×106量級，其中水動荷載占主體，基底彎矩最大達到5.2×108量級，其中風荷載占主體。

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Wind load characteristics of 10 MW?level super?large offshore wind turbine under the coupling effect of typhoon?wave?current

KE Shi?tang 1，2 WANG Shuo 1，2ZHAO Yong?fa 1，2ZHANG Wei 1，2LI Ye 3

1. Department of Civil and Airport Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China；

2. Jiangsu Key Laboratory of Hi?Tech Research for Wind Turbine Design， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China；

3. State Key Laboratory of Ocean Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China

Abstract Offshore wind turbine is a technological commanding height in wind power industrial development in future and it faces more complicated extreme wind environments compared with onshore wind turbine. To disclose wind load distribution characteristics of wind turbine under typhoon-wave-current coupling effect on the sea， a 10MW-level super-large offshore wind turbine in Wailuo Wind Farm， Guangdong is chosen as a research object and a real-time meso-scale WRF-SWAN-FVCOM （W-S-F） coupling simulation platform is constructed by using Model Coupling Toolkit （MCT）. The spatial-temporal evolution of typhoon-wave-current in the offshore wind farm in the whole landing process of the super typhoon “Ramason” is analyzed. Next， wind load characteristics of wind turbines and interference effect among blade， tower and wave surface are analyzed by combining the meso-micro scale nesting method. The extreme load model at typical positions of offshore wind turbine under extreme wind conditions is proposed. Results demonstrate that the constructed meso-scale W-S-F coupling platform can simulate interactions among typhoon， wave and current accurately. Wind loads on the tower are mainly transversal in the section within the blade interference， and are downward in the section within wave interference. Moreover， strong pulsation features are observed near the low-altitude wave surface. Blade at position A is the safest， while blade at position B is the most dangerous. T4 is the most adverse phase for single pile foundation strength design of the offshore wind turbine. At T4 phase， the maximum base shear reaches the 7.68×106 magnitude and the maximum base bending moment reaches the 5.2×108 magnitude.

Keywords wind load distribution; typhoon?wave?current coupling simulation; offshore wind turbine; meso?micro scale; interference effect