海上風(fēng)力機(jī)塔架的非規(guī)則線性波分析

海上風(fēng)力機(jī)塔架的非規(guī)則線性波分析

0海上風(fēng)力機(jī)塔架風(fēng)力發(fā)電機(jī)理地球海岸總長(zhǎng)超過(guò)50萬(wàn)公里?？砷_(kāi)發(fā)的風(fēng)力資源豐富，海面粗糙度，水流強(qiáng)度低，主導(dǎo)趨勢(shì)穩(wěn)定。風(fēng)速比沿海地面高約25%。大風(fēng)機(jī)可以吸收更多的風(fēng)力?？梢哉f(shuō)海上風(fēng)力發(fā)電具有極大潛力,是當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)主要發(fā)展方向。大型海上風(fēng)力機(jī)塔架一般采用圓錐筒形薄壁結(jié)構(gòu)。除了由于風(fēng)作用于風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪和塔架產(chǎn)生的氣動(dòng)載荷外,塔架和基礎(chǔ)還受到波浪、流作用的水動(dòng)力載荷,塔架的變形和振動(dòng)直接影響風(fēng)輪以及整個(gè)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性本文分析了海上風(fēng)力機(jī)塔架復(fù)雜的外界載荷條件,計(jì)算了過(guò)臨界條件下作用在塔架上順風(fēng)和橫風(fēng)向的氣動(dòng)載荷;在應(yīng)用線性波理論的基礎(chǔ)上,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換,將二維線性波理論1塔架氣動(dòng)載荷海上風(fēng)力機(jī)塔架受到外部載荷如圖1所示:機(jī)艙和風(fēng)輪的重力G、風(fēng)輪通過(guò)機(jī)艙傳遞到塔架頂部的彎矩M作用在風(fēng)輪上并傳遞到塔架上的氣動(dòng)載荷是一個(gè)隨時(shí)間變化的三維空間載荷。海上風(fēng)速較大,作用在圓筒形或圓錐筒形塔架上的風(fēng)繞塔架的流動(dòng)可近似地看作為典型的圓柱體繞流問(wèn)題同理,波浪載荷集度在x、y方向上的投影分別為式中,方向角β定義為波浪或流的前進(jìn)方向與x軸所成的夾角。作用在塔架基礎(chǔ)上的支座反力為:F2氣動(dòng)升力及阻力對(duì)于空氣繞圓柱體的流動(dòng)問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)研究結(jié)果表明:隨著Re的增加,流動(dòng)從層流到湍流,不斷出現(xiàn)旋渦脫落,按Re的范圍,可大致把流動(dòng)分為三個(gè)區(qū)域:3×10風(fēng)繞流除引起定常阻力和升力(圓柱塔架對(duì)稱,定常升力為零)外,還有脫渦和尾跡誘導(dǎo)的非定常升力和阻力。不同的流區(qū),塔的受力情況也不相同。海上風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度小、具有穩(wěn)定的主導(dǎo)風(fēng)向,風(fēng)速比沿岸陸上高約25%,在正常工作條件下,風(fēng)繞塔架流動(dòng)一般都在過(guò)臨界狀態(tài)下。此時(shí),作用在塔架上的非定常升力與定常阻力具有相同的數(shù)量級(jí),而非定常阻力小一個(gè)數(shù)量級(jí)。非定常載荷是周期性的,其頻率通常以塔架直徑和入流風(fēng)速為參考,升力和阻力分別由式(3)、(4)計(jì)算式中,z為離海平面的高度;t為時(shí)間;p=ρ式中,氣流速度v可以設(shè)跟高度成對(duì)數(shù)變化式中,v(z)為離地高度z處的平均風(fēng)速;v(z以上升力和阻力分析問(wèn)題歸結(jié)為:決定對(duì)應(yīng)雷諾數(shù)范圍的定常阻力系數(shù)、振動(dòng)升力和阻力系數(shù)、斯特勞哈爾數(shù)以及正則化功率譜密度。斯特勞哈爾數(shù)S定常阻力系數(shù)C振動(dòng)升力系數(shù)C本文分析在過(guò)臨界情況下:S3塔架的波浪理論應(yīng)用作用在塔架結(jié)構(gòu)上的波浪力主要有阻力和慣性力,阻力是由流體的粘性效應(yīng)產(chǎn)生,一般假設(shè)它與水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于塔架結(jié)構(gòu)的速度的平方成正比;而慣性力與水和結(jié)構(gòu)間的相對(duì)加速度成正比。由于近海風(fēng)力機(jī)塔架的直徑相對(duì)于海波波長(zhǎng)來(lái)說(shuō)較小,塔架的運(yùn)動(dòng)不致引起波浪形狀的改變,一般采用MORISON于1950年提出的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)進(jìn)行使用MORISON公式求波力時(shí),首先要確定波浪水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度。所以,首先要選擇合適的波浪理論。由于不規(guī)則波浪影響塔架的動(dòng)力響應(yīng),所以對(duì)動(dòng)態(tài)塔架進(jìn)行分析時(shí)應(yīng)使用隨機(jī)線性波浪模型,現(xiàn)在一般采用AIRY于1845年提出的線性波理論(AIRY理論)。此波浪理論基于流體力學(xué)中拉格朗日方法來(lái)描述的,即著眼于流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)。3.1流動(dòng)是無(wú)粘、無(wú)旋的當(dāng)波高h(yuǎn)小于波長(zhǎng)λ和水深d時(shí),可以用線性波浪理論來(lái)求解波浪。線性波浪理論將非線性的波浪自由面條件,近似以線性的邊界條件代替,同時(shí)假設(shè)流體是不可壓縮的,流動(dòng)是無(wú)粘、無(wú)旋的?？紤]海波的傳播方向不一定沿建立的Oxy坐標(biāo)平面,且氣動(dòng)載荷與機(jī)械載荷為空間載荷,將平面線性波理論擴(kuò)展為三維線性波?；诰€性波理論,某一觀測(cè)點(diǎn)的波動(dòng)過(guò)程視為若干隨機(jī)正弦波的疊加。在海平面的塔架坐標(biāo)系下,設(shè)海波的傳播方向與x軸成β角;記波浪水質(zhì)點(diǎn)(x,y,z)的速度矢量為u浪高函數(shù)頻散方程水質(zhì)點(diǎn)x方向的速度水質(zhì)點(diǎn)y方向的速度水質(zhì)點(diǎn)z方向的加速度式(7)中的海平面波高函數(shù)η(x,y,t)由能譜密度S單個(gè)波的波幅為3.2譜密度函數(shù)s海波的隨機(jī)特性是用隨機(jī)的波高函數(shù)η(x,y,t)及其譜密度函數(shù)S式中,S由氣流速度與高度的關(guān)系式(6)確定出19.5m處平均風(fēng)速u3.3波浪力的估算根據(jù)MORISON公式,在深度z,水平波浪力由兩部分構(gòu)成:阻力和慣性力。慣性力由兩部分組成:運(yùn)動(dòng)組分的水力質(zhì)量(與水質(zhì)點(diǎn)和塔架的相對(duì)加速度成正比)和加速運(yùn)動(dòng)流體作用在靜止構(gòu)件上的慣性力。設(shè)波傳播方向與x成β角,那么作用在結(jié)構(gòu)上的波浪載荷表達(dá)為(設(shè)D/λ<0.2)式中,c首先根據(jù)非規(guī)則波浪仿真式(9)~(14)求波浪質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度,然后根據(jù)MORISON方程式(20)近似計(jì)算波浪力。但是在波浪力作用位置(x,y,z)塔架的速度和加速度u4塔架結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析從波浪力計(jì)算到塔架在風(fēng)波聯(lián)合作用下的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析,均須對(duì)塔架進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析?？紤]到氣動(dòng)載荷與波浪載荷在時(shí)間分布和空間分布上的復(fù)雜性,采用有限元數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行分析。離散時(shí)將塔架分成N個(gè)圓柱單元,圓柱的直徑取單元中點(diǎn)直徑式中,x51.5載荷、波浪、波譜分析及結(jié)構(gòu)分析程序本文利用Matlab編寫作用在塔架上的氣動(dòng)載荷、波浪載荷、波譜分析和結(jié)構(gòu)分析程序。針對(duì)一臺(tái)1.5MW海上風(fēng)力機(jī)組塔架結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)和波浪載荷聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了分析。5.1塔架材料及密度支撐結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)參數(shù)如下:支撐結(jié)構(gòu)由沉箱和塔架構(gòu)成,沉箱的外半徑為3.8m、高為5m,塔架高度75m,塔架底部?jī)?nèi)外半徑分別為3.0m和3.5m,頂部?jī)?nèi)外半徑分別為2.1m和2.6m,材料為混凝土,彈性模量E=25GPa,泊松比為0.18,材料密度為2500kg/m5.2有關(guān)振動(dòng)負(fù)荷的參數(shù)取風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪輪轂處參考風(fēng)速v(z5.3有關(guān)波負(fù)荷的參數(shù)定義海洋狀態(tài)的模型如下:19.5m高度的平均風(fēng)速為u5.4風(fēng)荷載和波浪載荷的聯(lián)合算例假設(shè)海洋充分生成,結(jié)構(gòu)滿足透射條件,塔架處于淺水區(qū),風(fēng)載荷和波浪載荷的聯(lián)合由式(3)~(20)計(jì)算,計(jì)算的載荷與響應(yīng)的時(shí)間歷程為1h、分12次循環(huán),每次5min。u6在非定常升力和阻力計(jì)算中的應(yīng)用(1)海上風(fēng)力機(jī)塔架外部載荷條件遠(yuǎn)較陸上風(fēng)力機(jī)塔架復(fù)雜。在其動(dòng)力響應(yīng)的分析中,須考慮作用在風(fēng)輪上的氣動(dòng)推力、風(fēng)輪與機(jī)艙重力對(duì)塔架響應(yīng)的影響;在雷諾數(shù)較高時(shí)還須考慮作用在塔架上的定常阻力、非定常升力和阻力。(2)非定常的升阻力隨時(shí)間類似簡(jiǎn)諧變化,但其振幅和頻率均隨塔架各點(diǎn)的風(fēng)速和橫截面直徑而變化。(3)在波浪載荷計(jì)算中,可用擴(kuò)展的線性波理論來(lái)分析海洋狀態(tài)和作用在塔架上的波浪載荷,其中波浪力可采用MORISON公式結(jié)合三維有限元結(jié)構(gòu)分析進(jìn)行,這樣可分析