非線性規(guī)則波與隨機波沿多樁風電基礎爬升以及對登陸平臺砰擊的數(shù)值模擬.pdf

1、隨著計算機的軟硬件技術的飛速發(fā)展，特別是芯片計算能力不斷提高、多核并行運算的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲力的擴展、數(shù)值算法的日臻完善，計算流體力學以其獨特的優(yōu)勢成為了與理論和實驗相媲美的又一種研究流體的方法。本研究正是利用計算流體力學工具在數(shù)值波浪水槽中，以海上風電機典型的圓管單樁、單立柱三樁和五樁基礎為研究對象，對非線性規(guī)則波和隨機波浪下的水體爬升及爬升對維修工作平臺的砰擊作用進行數(shù)值模擬。
　　波浪爬升高度決定了工作平臺的設計凈空氣隙，也和

2、風電機運行中發(fā)生偶遇砰擊時的瞬間沖擊載荷大小息息相關。因爬升過程的流體作用機理復雜，本文主要采用CFD數(shù)值模擬的途徑，結合與此前物理模型試驗的比較，在世界上率先對單立柱多樁基礎上的爬升和砰擊開展研究。和目前的許多線性規(guī)則波研究不同，本研究的重點是非線性規(guī)則波和隨機波浪。
　　首先，在Fluent軟件平臺上運用基于層流模型邊界造波法，通過給定造波邊界處流體的線性波水質點速度和瞬時波面，實現(xiàn)了在數(shù)值波浪水槽中使用流體體積VOF法對線性

3、波的精確模擬，另外還將數(shù)值模擬與物理水槽造波試驗結果進行對比確定出滿足精度要求的網(wǎng)格劃分方案。在此基礎上，以斯托克斯五階波浪、基于Jonswap譜的線性隨機波以及FFT復演方法得到的隨機波作為邊界輸入，實現(xiàn)了非線性規(guī)則波和隨機波的數(shù)值生成，并將數(shù)值結果與理論解進行了對比，以確保后續(xù)仿真試驗的可行性與準確性。對于非線性規(guī)則波，研究表明使用Fenton(1998)的Ursell=40判據(jù)對波浪進行劃分和選擇模型是最為合理的，其左域為斯托克斯

4、波，其右域為橢圓余弦波。建議當使用數(shù)值水槽進行模擬時，如果波浪參數(shù)位于不同波浪理論的分界線附近而難以界定時，應采用流函數(shù)計算出的水質點速度與波面瞬時升高作為遠場輸入。
　　其次，在建立起的數(shù)值波浪水槽中，以單立柱三樁和五樁以及圓管單樁基礎為研究對象，分別對兩個水深進行了多個非線性規(guī)則波和隨機波工況下波浪爬升的數(shù)值模擬。將數(shù)值模擬與模型試驗結果進行對比，驗證了數(shù)值模擬與試驗的良好吻合性。此外，還將單立柱三樁和圓管單樁基礎數(shù)值模擬結果

5、對比分析得到了不同基礎類型對波浪爬升的影響。在研究中，通過展現(xiàn)在柱面前后水體的流動、匯合、爬升的過程，詮釋了爬升分別在較深水和較淺水中的不同演化，也由此給出了波浪在多樁基礎上爬升與在最主流的圓管單樁爬升此二者的不同之處。通過CFD模擬的一個重要發(fā)現(xiàn)是繞圓樁的最小爬升發(fā)生在近柱后的145度，而非之前文獻中所載的135度，這為實際海上的維修船人員登陸風電機以及爬梯的前期設計提供了很有意義的參考。隨機波的爬升系數(shù)m沿用了最大等效波法，雖然相應

6、的假設其正確性有待于進一步驗證。通過對m值的回歸分析，發(fā)現(xiàn)多樁基礎的m值，無論是在規(guī)則波還是隨機波中都和圓管單樁不同;三樁和五樁的規(guī)律也不同。水深、波陡等都是影響的因素。
　　最后，以單立柱三樁和五樁基礎為研究對象，進行了非線性規(guī)則波和隨機波下波浪對風機登陸平臺砰擊作用的數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬與模型試驗結果進行比較與分析，證明在工程上采用CFD方法模擬砰擊現(xiàn)象可行，但數(shù)值模擬和物理試驗模擬的吻合度不盡理想，砰擊系數(shù)Cs在數(shù)值模擬下