三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)波浪載荷實驗研究

施勇 姜貞強 任年鑫 王濱

隨著環(huán)境惡化問題和能源短缺問題日趨嚴重，世界各國都在積極尋求構(gòu)建一種清潔、安全、可靠的可再生能源系統(tǒng)。在眾多新能源中，風(fēng)電技術(shù)較為成熟，具有大規(guī)模開發(fā)前景。特別是海上風(fēng)電開發(fā)，以節(jié)約寶貴土地資源、風(fēng)力更穩(wěn)定、風(fēng)電機組單機容量更大、年有效利用小時數(shù)更高、受噪音標準限制更小、運輸條件更為便利等優(yōu)勢，已成為全球風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向。

目前世界范圍內(nèi)的海上風(fēng)電場主要集中在近海淺水區(qū)域，主要采用固定式基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，如單樁、三樁、重力式、導(dǎo)管架式等。其中，三樁基礎(chǔ)在我國東部近海風(fēng)電場建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用。不同于陸上風(fēng)電結(jié)構(gòu)，除了上部風(fēng)電機組葉片及塔架風(fēng)載荷，近海風(fēng)電結(jié)構(gòu)還要考慮波浪載荷對其動力響應(yīng)的重要影響。

各國學(xué)者通過理論分析和數(shù)值仿真對海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)波浪載荷進行了研究，主要是采用Morison及其修正公式、勢流理論和計算流體動力學(xué)（CFD）等方法求解海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的波浪荷載、動力響應(yīng)特征以及樁土耦合效應(yīng)等：部分學(xué)者也通過物理模型實驗驗證了浮式風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)水動力荷載特征數(shù)值計算結(jié)果的有效性，但鮮見針對三樁基礎(chǔ)的海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)系統(tǒng)波浪荷載的物理模型實驗研究。

本文主要基于物理模型實驗方法，重點研究三樁基礎(chǔ)近海風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的波浪載荷特征。結(jié)合某實際工程4MW三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組模型，構(gòu)建三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的縮尺物理模型實驗測試系統(tǒng)，重點研究典型規(guī)則波浪、不同波浪入射方向和隨機波浪海況下該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的水動力響應(yīng)特征。實驗?zāi)Ｐ?/p>

該模型實驗在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室進行。波浪水池的主要尺寸為40m×8m×1m，最大工作水深為0.6m：自制推板式低、高頻（長、短周期）復(fù)合波造波機，最大波高為0.25m;實驗采用微機控制及同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于弗洛德數(shù)相似準則，三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組1：50縮尺物理實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。此外，在三樁基礎(chǔ)底部對稱布置4個高精度防水型測力天平（協(xié)調(diào)受力），測試海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)3個平動方向的力和3個轉(zhuǎn)動方向的彎矩，傳感器采樣頻率為100Hz，并在實驗前進行了校核標定。

水動力數(shù)值模型

基于勢流理論，利用廣泛應(yīng)用于波浪力載荷計算的AQWA軟件構(gòu)建三樁基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)的水動力數(shù)值模型，如圖2所示。

結(jié)果分析

重點考慮最不利波浪載荷工況，即極端高水位情況，此時水深10.0m。為了使實驗結(jié)果更好地指導(dǎo)實際工程設(shè)計，現(xiàn)將所有實驗數(shù)據(jù)依據(jù)縮尺關(guān)系（λ=1/50）放大到全尺寸模型。

一、典型規(guī)則波浪工況

首先，對該三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機組模型進行典型規(guī)則波浪工況的測試，考慮不同周期波浪的影響（波高均為2m），并將主要實驗結(jié)果與對應(yīng)數(shù)值結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機組的基底水平力和基底彎矩響應(yīng)幅值隨著波浪周期的增加而減小，實驗測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有著很好的一致性?；姿搅突讖澗氐膶嶒灉y試結(jié)果小于數(shù)值模擬結(jié)果約5%～7%，即數(shù)值模擬結(jié)果過高地估計了三樁基礎(chǔ)的動力響應(yīng)幅值（主要是因為數(shù)值模型沒有考慮波浪粘性阻尼的影響）。可見，基于數(shù)值模擬結(jié)果的工程設(shè)計是偏于安全的。

此外，進一步研究不同波高對三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機組主要動力響應(yīng)幅值的影響規(guī)律，并將主要實驗結(jié)果與對應(yīng)數(shù)值結(jié)果進行對比分析，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機組的基底水平力和基底彎矩響應(yīng)幅值隨著波浪波高的增加而呈現(xiàn)近似線性的增加，實驗測試結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有著很好的一致性。與不同波浪周期工況下測試結(jié)果與數(shù)值結(jié)果的對比情況相似，基底水平力和基底彎矩的實驗測試結(jié)果小于數(shù)值結(jié)果約5%～8%，即數(shù)值模擬結(jié)果仍較高地估計了三樁基礎(chǔ)的動力響應(yīng)幅值。

此外，進一步研究不同波浪入射角度對三樁基礎(chǔ)風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征的影響（H=2m，T=7s），鑒于該模型為120°對稱結(jié)構(gòu)，因此選取代表性波浪入射角度分別為：0°、30°、45°、60°，波浪入射與三樁基礎(chǔ)所成角度示意圖如圖5所示。不同波浪入射角度下三樁基礎(chǔ)主要動力響應(yīng)幅值如表1所示。從表1可以看出，隨著波浪入射角從0°向60°增加，基底水平力和基底彎矩的響應(yīng)幅值逐漸下降，即波浪0°入射角為最不利波浪載荷角度。因此，依照結(jié)構(gòu)安全設(shè)計的基本原則，接下來模型實驗的波浪入射角度統(tǒng)一選擇0°。

二、典型隨機波浪工況

鑒于實際海況的復(fù)雜性，進一步研究典型隨機海況下三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)特征。選取JonswaD譜對不規(guī)則波浪的統(tǒng)計信息進行描述（y=3.3），參考的典型工況（0°入射波浪）如下：

case 1：Hs=2m，Tp=7s，Jonsw印譜（風(fēng)電機組一般運行海況）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，Jonswap譜（風(fēng)電機組最大運行海況）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，Jonswap譜（極端海況）

重點研究上述三種代表性不規(guī)則波浪海況下基底水平力和基底彎矩的響應(yīng)特征，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著三種代表性海況波高的增大，其主要動力響應(yīng)幅值及波動情況也顯著增加，具體相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。該結(jié)果對于三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的極限結(jié)構(gòu)承載能力設(shè)計和疲勞性能分析都有著積極的參考價值。

此外，進一步研究代表性PM（Pierson-Moscowitz）譜工況下三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組的動力響應(yīng)特征，所選取的有義波高和譜峰周期與Jonswap譜一致，具體波浪工況（0°入射波浪）如下：

Case 1：Hs=2m，Tp=7s，PM譜（風(fēng)電機組一般運行海況）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，PM譜（風(fēng)電機組最大運行海況）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，PM譜（極端運行海況）

重點研究上述三種代表性不規(guī)則波浪海況下基底水平力和基底彎矩響應(yīng)特征，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，與Jonswap譜相似，隨著三種代表性海況波高的增大，其主要動力響應(yīng)幅值及波動情況也有所增加，具體相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。從表3與表2對比分析結(jié)果（表4）可以看出，PM譜下的基底水平力和基底彎矩的動力響應(yīng)最大值及標準差顯著小于Jonswap譜下的對應(yīng)結(jié)果，其中，前者的動力響應(yīng)最大值約為后者的90%：前者的標準差約為后者的70%～90%。由此可知，三樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)的最大值對波譜類型較為不敏感，而三樁基礎(chǔ)的疲勞性能受波譜類型的影響較大。

結(jié)論

通過構(gòu)建某4MW三樁基礎(chǔ)海上風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)的縮尺實驗?zāi)Ｐ?，較為系統(tǒng)地測試研究了典型規(guī)則波浪、不同波浪入射方向和隨機波浪下三樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力載荷特征。對比數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果可知，數(shù)值模擬結(jié)果略大于實驗結(jié)果（約5%～10%），三樁基礎(chǔ)在0°入射波浪方向上的載荷最大，即最為不利。此外，三樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)的最大值對波譜類型較為不敏感，而三樁基礎(chǔ)的疲勞性能受波譜類型的影響較大（約70%～90%）。