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强非线性波作用下大型海上单桩风机的水动力性能研究

2020-12-08阅读(404)

强非线性波作用下大型海上单桩风机的水动力性能研究

论文摘要

随着海上风电技术的不断发展,海上风机单桩基础的应用前景越来越广泛。然而与此同时,风机的单机容量及基础直径也在不断增大,大直径风机基础所受到的非线性波浪荷载对系统结构安全的影响不容忽视;另一方面,近海畸形波、陡波等产生的强非线性载荷对大直径单桩基础及整机系统的作用也是工程设计所关心的重要问题。因此本课题基于CFD方法针对10 MW大型海上风机及我国复杂的东部海域海况,深入开展强非线性波对大直径海上风机单桩基础的作用,以期对风机系统的结构安全和长时间稳定运行提供一定的参考。本文首先建立数值波浪水槽,通过加载造波程序及消波程序,进而实现Stokes五阶波的生成。在综合考虑计算时间和计算精度后,确定一个合适的、统一的网格划分方案。另外,本文选择与OC5单桩风机模型试验的数据进行对比,进而验证该数值水槽用于研究单桩基础的水动力荷载问题的合理性与准确性。其次,进行Stokes五阶波对10 MW单桩基础作用的研究。详细讨论不同波陡参数kA、不同水深参数kd对单桩基础周围的涌高、压力以及水平方向所受的波浪力的影响;将CFD计算得到波浪荷载与Morison方程及基于高阶边界元法的势流理论得到的结果进行对比分析。针对我国渤海等冬季结冰的海域,进一步研究在单桩基础上增加破冰锥后对水动力性能的影响;通过对比增加不同的破冰锥结构形式后单桩基础的水动力响应,进而分析各个结构的优缺点。然后,基于Stokes五阶波理论建立不同水底坡度的破碎波数值水槽,重点研究崩破波及卷破波等不同形式的破碎波对单桩基础周围的涌高、压力以及波浪力的影响变化情况,分析讨论破碎波与行进波对单桩基础水动力性能的影响差异;对比分析几种不同计算破波力的方法,讨论各自的适用范围。探究随着波高的增大,波浪破碎形式由卷破波转变为崩破波后水动力性能的变化情况。最后,基于C语言程序并以JONSWAP谱为背景波编写畸形波函数,对畸形波作用下10 MW单桩基础所受的水动力荷载进行分析,重点研究畸形波对涌高、压力及波浪力的影响情况,进而探究强非线性波与大直径单桩基础的相互作用机理,以期对未来海上固定式风机的设计提供一定的参考。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 1 绪论
  •   1.1 研究背景及意义
  •   1.2 海上风机的发展
  •   1.3 国内外研究现状
  •     1.3.1 海上风机的数值模拟研究
  •     1.3.2 非线性波的数值模拟研究
  •   1.4 本文研究内容与方法
  • 2 数值波浪水池模拟研究
  •   2.1 理论基础
  •     2.1.1 控制方程
  •     2.1.2 波浪的数值模拟方法
  •     2.1.3 相似准则
  •   2.2 波浪理论
  •     2.2.1 基本方程及边界条件
  •     2.2.2 线性波理论
  •     2.2.3 Stokes五阶波理论
  •   2.3 数值波浪水槽的建立
  •     2.3.1 模型参数设置
  •     2.3.2 网格划分方法
  •   2.4 结论
  • 3 Stokes五阶波对海上风机单桩基础的作用
  •   3.1 数值模拟可行性验证
  •   3.2 计算模型
  •   3.3 波陡参数的影响
  •     3.3.1 单桩基础周围涌高与波陡参数关系分析
  •     3.3.2 单桩基础周围压力与波陡参数关系分析
  •     3.3.3 单桩基础所受正向波浪总力与波陡参数关系分析
  •   3.4 水深参数的影响
  •     3.4.1 单桩基础周围涌高与水深参数关系分析
  •     3.4.2 单桩基础周围压力与水深参数关系分析
  •     3.4.3 单桩基础所受正向波浪总力与水深参数关系分析
  •   3.5 不同破冰锥结构形式的水动力荷载对比分析
  •   3.6 结论
  • 4 破碎波对海上风机单桩基础的作用
  •   4.1 破碎波理论
  •   4.2 计算模型
  •   4.3 崩破波对单桩风机基础的作用
  •     4.3.1 破碎参数0x =0.402 下波浪荷载分析
  • 0=0.178 下波浪荷载分析'>    4.3.2 破碎参数ξ0=0.178 下波浪荷载分析
  •   4.4 卷破波对单桩风机基础的作用
  • 0=1.000 下波浪荷载分析'>    4.4.1 破碎参数ξ0=1.000 下波浪荷载分析
  • 0=0.594 下波浪荷载分析'>    4.4.2 破碎参数ξ0=0.594 下波浪荷载分析
  •     4.4.3 破碎形式由卷破波到崩破波的转变分析
  •   4.5 结论
  • 5 畸形波对海上风机单桩基础的作用
  •   5.1 畸形波理论
  •     5.1.1 畸形波的定义
  •     5.1.2 畸形波的形成机理
  •   5.2 畸形波的数值模拟
  •   5.3 畸形波作用下10 MW单桩基础的受力研究
  •   5.4 结论
  • 结论
  • 参考文献
  • 附录A Stokes五阶波的有关公式
  • 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 唐业

    导师: 施伟

    关键词: 海上风机,五阶波,水动力分析,强非线性波,波浪荷载

    来源: 大连理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

    专业: 地球物理学,水利水电工程,电力工业

    单位: 大连理工大学

    基金: 国家自然科学基金项目(编号:5170090581)

    分类号: TV139.2;TM315

    DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002094

    总页数: 111

    文件大小: 5855K

    下载量: 100

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