程友良，薛占璞，李占嶺，趙懷宇，趙洪嵩，賀 忠

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003;2.河北電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050000；3.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050000)

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海上半潛式風(fēng)力發(fā)電塔基礎(chǔ)的水動(dòng)力學(xué)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(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003;2.河北電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊 050000；3.石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050000)

提出一種強(qiáng)度與流場(chǎng)分析相結(jié)合的方法,利用Solidworks軟件對(duì)半潛式基礎(chǔ)進(jìn)行建模及應(yīng)力分析，并進(jìn)行模態(tài)分析，比較不同頻率之間振型，得出振動(dòng)特性，利用FLUENT軟件單向耦合分析法進(jìn)行速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)數(shù)值模擬及水動(dòng)力學(xué)特性分析。結(jié)果表明，橫梁三角形各個(gè)角度的流場(chǎng)和阻力特性變化呈非線性關(guān)系，影響流速大小，進(jìn)而對(duì)于側(cè)向流及漩渦的形成產(chǎn)生影響，并且側(cè)向流越大，越容易形成漩渦。

海上半潛式風(fēng)力發(fā)電塔；應(yīng)力分析；振動(dòng)特性；水動(dòng)力學(xué)特性；數(shù)值模擬

近年來海上風(fēng)電發(fā)展迅速，海上風(fēng)力發(fā)電塔架高度逐漸增加，高度超過50 m，甚至達(dá)到120 m或更高[1]。國(guó)外對(duì)于浮式基礎(chǔ)的研究較早，半潛式基礎(chǔ)概念和設(shè)計(jì)許多由荷蘭多家公司及倫敦大學(xué)等機(jī)構(gòu)提出并且實(shí)施。國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究工作[2-12]僅從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)或者僅從流體動(dòng)力學(xué)方面分析海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)，而將兩者結(jié)合分析整體基礎(chǔ)強(qiáng)度較少。

為此，考慮從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)兩個(gè)方面分析半潛式浮式基礎(chǔ)，采用數(shù)值模擬和湍流理論結(jié)合方法，創(chuàng)新地將機(jī)械強(qiáng)度與流體分析結(jié)合應(yīng)用到模型中，分析其在不同載荷下應(yīng)力變化幅度情況，不同頻率下模態(tài)振型，定量分析半潛式浮式基礎(chǔ)整體周圍流場(chǎng)分布及相關(guān)參數(shù)。

1 數(shù)學(xué)模型及有限元分析

1.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

半潛式基礎(chǔ)在運(yùn)輸、控制方面有良好的優(yōu)越性，近年來在近海區(qū)域利用率逐漸提高[13-17]。以海上風(fēng)力發(fā)電塔半潛式Windfloat基礎(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)例，見圖1。浮式基礎(chǔ)材料為高強(qiáng)度鋼，屈服極限為355 MPa。為了較好地分析Windfloat基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，見圖2。

圖1 半潛式Windfloat基礎(chǔ)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

圖2 Windfloat基礎(chǔ)模型

利用Solidworks軟件模塊simulation對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格的質(zhì)量為良好，網(wǎng)格類型為三角形網(wǎng)格，采用自動(dòng)劃分的方式，網(wǎng)格化模型見圖3，節(jié)點(diǎn)數(shù)為117 615，單元數(shù)為99 485。

圖3 網(wǎng)格化模型

1.2 仿真分析

1.2.1 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

按照文獻(xiàn)[8]極限海況下的載荷，許用應(yīng)力284 MPa,最大等效應(yīng)力202.364 MPa，最大位移39.538 mm進(jìn)行設(shè)置。對(duì)比文獻(xiàn)[8]中LC6浮式基礎(chǔ)整體應(yīng)力云圖4b)，可知圖4a)、b)應(yīng)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(chǔ)應(yīng)力云圖

從應(yīng)力云圖可知，承受風(fēng)塔的樁受力在應(yīng)力范圍允許之內(nèi)，整個(gè)樁應(yīng)力變化不大，在安全范圍內(nèi)，符合強(qiáng)度要求。

從位移云圖可知(圖5)，承受風(fēng)塔的樁穩(wěn)定性尤為重要，直接關(guān)系風(fēng)塔與樁的相對(duì)位置。進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定。圖中位移在0.15 mm與0.02 mm之間浮動(dòng)，符合穩(wěn)定性要求。

圖5 Windfloat基礎(chǔ)位移云圖

1.2.1 模態(tài)分析

在Windfloat基礎(chǔ)固有頻率情況下，提取前5階非零模態(tài)振型。與前5階非零模態(tài)振型對(duì)應(yīng)的頻率分別為58、102、238、307及348 Hz。

Windfloat基礎(chǔ)自由振動(dòng)方程為

(1)

式中：ω——自由振動(dòng)固有頻率，特征方程為

(2)

即可求出多項(xiàng)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(yīng)的振型。

由振型圖分析可知，Windfloat基礎(chǔ)第3階模態(tài)(f=238 Hz)變形量大，最大位移在22 mm(圖6)，應(yīng)在實(shí)際運(yùn)行中監(jiān)測(cè)頻率，避免在此頻率下運(yùn)行，其余振型位移量變化幅度不大，屬于正常運(yùn)行。

圖6 Windfloat基礎(chǔ)3階振型

經(jīng)過應(yīng)力及模態(tài)分析可知，此模型能夠滿足強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求。

2 水動(dòng)力學(xué)特性分析

2.1 Windfloat基礎(chǔ)模型

將Solidworks建立的基礎(chǔ)模型導(dǎo)入ANSYS ICEM CFD中，進(jìn)行模型設(shè)置，幾何檢查及修復(fù)，如圖7為ICEM CFD環(huán)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(chǔ)附近海域?yàn)檎承圆豢蓧嚎s流體，運(yùn)動(dòng)類型為湍流運(yùn)動(dòng)?？刂品匠虨?/p>

連續(xù)性方程：

(3)

動(dòng)量方程：

(4)

湍動(dòng)能k的方程：

(5)

湍動(dòng)能耗散率ε的方程：

(6)

為了使湍流運(yùn)動(dòng)分布均勻，連續(xù)性強(qiáng)，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(dòng)特性[18-22]。

2.3 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

Windfloat基礎(chǔ)計(jì)算域如圖8所示，計(jì)算域大小為長(zhǎng)40 m、寬30 m、高40 m。Windfloat基礎(chǔ)位置分布在長(zhǎng)方體區(qū)域長(zhǎng)寬高1/4處，在ICEM CFD環(huán)境中劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格類型為Tetra/Mixed，節(jié)點(diǎn)數(shù)為101 699，單元數(shù)為98 488，結(jié)構(gòu)中立柱網(wǎng)格邊長(zhǎng)及密度較大，邊長(zhǎng)為0.09，斜撐和橫梁密度較小。

圖8 計(jì)算域位置圖

網(wǎng)格質(zhì)量檢查良好，能夠保證在有限元計(jì)算中準(zhǔn)確性。圖9為ICEM CFD環(huán)境中的網(wǎng)格模型。增加網(wǎng)格的密度，其模擬結(jié)果誤差在0.4%之內(nèi)，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，證明此網(wǎng)格模擬可行[23-27]。

圖9為網(wǎng)格化的Windfloat基礎(chǔ)，通過網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證，有限元網(wǎng)格單元尺寸大小對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，單元尺寸減小而應(yīng)力變化不明顯，控制在1%之內(nèi)，因此計(jì)算是可行的。

圖9 網(wǎng)格化模型

2.4 邊界條件設(shè)置

計(jì)算域中左端面為速度進(jìn)口，數(shù)值為1.8 m/s，這符合海上實(shí)際流速情況；右端面為壓力出口；2個(gè)側(cè)面、頂面為對(duì)稱邊界條件；底面以及Windfloat基礎(chǔ)各面為無滑移壁面。

2.5 數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證

邵萬駿等[3]在人工魚礁水動(dòng)力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)作出相關(guān)曲線，唐友剛[5]在海上風(fēng)機(jī)半潛式水動(dòng)力性能得出相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這里基于FLUENT14.0單向耦合分析,數(shù)值模擬測(cè)得流速數(shù)據(jù)曲線，實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)位置分布見圖10。

圖10 測(cè)量點(diǎn)位置

通過文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[5]流速的實(shí)驗(yàn)值與本人模擬值的比較可知，圖11各個(gè)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與模擬值的誤差在允許范圍之內(nèi)，此數(shù)值模擬是可行的。

圖11 測(cè)量點(diǎn)實(shí)驗(yàn)值與模擬值比較

2.6 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

當(dāng)計(jì)算域中Windfloat基礎(chǔ)三角橫梁角度為60°,60°,60°，來流速度為1.2 m/s時(shí)，出口垂直剖面的壓力點(diǎn)云分布如圖12。

圖12 垂直剖面壓力點(diǎn)云分布圖(x=0)

壓力分布是衡量海水流動(dòng)方向及速度的重要參數(shù)，從圖12可知，垂直剖面壓力分布，接近對(duì)稱分布，連續(xù)性頻率的波浪力作用，導(dǎo)致壓力點(diǎn)云分布對(duì)稱，這說明在Windfloat基礎(chǔ)周圍水流動(dòng)呈連續(xù)性，在實(shí)際的水運(yùn)動(dòng)中有一定的能量循環(huán)，符合水流動(dòng)特性。當(dāng)位置從0～250 m及-250～0 m進(jìn)行對(duì)比，可知壓力呈現(xiàn)類似正態(tài)分布點(diǎn)云圖，最大變化量為1 200 Pa，點(diǎn)云對(duì)稱分布，這為測(cè)量數(shù)據(jù)提供參考。

為了準(zhǔn)確描述Windfloat基礎(chǔ)周圍流場(chǎng)分布，設(shè)置來流速度仍為1.2 m/s，如圖13為Windfloat基礎(chǔ)速度矢量圖。與此對(duì)應(yīng)的整體速度矢量見圖14。從圖13中可知，當(dāng)水流經(jīng)過Windfloat基礎(chǔ)樁時(shí)，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(xiǎn)區(qū)域。在樁正前部，會(huì)產(chǎn)生側(cè)向流。從圖14可知，樁在經(jīng)過流水時(shí)，速度變化幅度不大，側(cè)向流在樁附近速度疊加，導(dǎo)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(chǔ)速度矢量圖

水經(jīng)過Windfloat基礎(chǔ)的阻力曲線是監(jiān)測(cè)流速平緩與否的重要參數(shù)，如圖15為阻力曲線，橫坐標(biāo)為迭代步數(shù)，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(jiān)測(cè)初始化。在200～500步時(shí)，阻力曲線趨于平滑，沒有大幅度增減。經(jīng)過三角橫梁角度改變，多次數(shù)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(guān)系。4條曲線由上到下對(duì)應(yīng)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(biāo)為迭代步數(shù)，從中可知，三角形橫梁角度應(yīng)根據(jù)海域流速大小及阻力變化幅度決定。

圖15 Windfloat基礎(chǔ)阻力

圖16 三角形橫梁不同角度阻力變化

2.7 機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與流場(chǎng)結(jié)合分析

從以上結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)分析可知，半潛式Windfloat基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度應(yīng)力云圖與整體流場(chǎng)基礎(chǔ)矢量圖之間有一定聯(lián)系，只有在滿足強(qiáng)度要求下，周圍流場(chǎng)才能夠符合流體運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。因此，在分析流場(chǎng)之前，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。此Windfloat基礎(chǔ)的應(yīng)力變化幅度，符合強(qiáng)度要求，剖面及整體速度矢量圖符合流體湍流運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律。

3 結(jié)論

1)通過對(duì)Windfloat基礎(chǔ)應(yīng)力及模態(tài)分析，得到不同應(yīng)力變化幅值及模態(tài)振型圖對(duì)結(jié)構(gòu)破壞至關(guān)重要，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該在一定時(shí)間內(nèi)，監(jiān)測(cè)應(yīng)力變化及模態(tài)情況，避免發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞。

2)Windfloat基礎(chǔ)周圍流場(chǎng)分布、阻力變化情況與流速、橫梁角度有關(guān)，當(dāng)橫梁角度全為60°時(shí)，阻力變化平緩，適合海水流速變化平穩(wěn)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(jié)合剖面的速度矢量分布，給實(shí)際制造及監(jiān)測(cè)提供參考。

3)橫梁三角形角度的不同將影響側(cè)向流大小，進(jìn)而形成旋渦，側(cè)向流越大，形成速度疊加，越容易形成旋渦。利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與流體動(dòng)力學(xué)結(jié)合的方法，將進(jìn)一步對(duì)半潛式基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提供技術(shù)支持。但在實(shí)際阻力監(jiān)測(cè)中，數(shù)值模擬與實(shí)際監(jiān)測(cè)有誤差是必然的，在一定允許誤差范圍內(nèi)數(shù)據(jù)是正確的。海上半潛式基礎(chǔ)不僅受到波浪、海流作用，還受到風(fēng)、地震等載荷作用，因此，對(duì)半潛式基礎(chǔ)進(jìn)行多載荷響應(yīng)分析是未來的研究重點(diǎn)。

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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(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)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(dòng)力學(xué)理論及其應(yīng)用、流體設(shè)備與節(jié)能、可再生能源理論及其應(yīng)用、清潔能源利用技術(shù)與設(shè)備

E-mail:shenghuo66@163.com