臺(tái)風(fēng)?浪?流耦合作用下海上10 MW級(jí)特大型風(fēng)力機(jī)風(fēng)荷載特性分析

柯世堂 王碩 趙永發(fā) 張偉 李曄

摘要 為揭示海上臺(tái)風(fēng)?浪?流耦合作用下海上風(fēng)力機(jī)的風(fēng)荷載分布特性，以廣東外羅10 MW特大型風(fēng)力機(jī)為研究對(duì)象，采用Model Coupling Toolkit（MCT）建立中尺度WRF?SWAN?FVCOM（W?S?F）實(shí)時(shí)耦合模擬平臺(tái)，分析超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”過境全過程海上風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)?浪?流的時(shí)空演變，再結(jié)合中/小尺度嵌套方法分析了風(fēng)力機(jī)風(fēng)荷載分布特性與葉片?塔筒?波浪面之間的干擾效應(yīng)，提出了極端風(fēng)況下海上風(fēng)力機(jī)典型位置極值荷載模型。結(jié)果表明：建立的中尺度W?S?F耦合平臺(tái)能準(zhǔn)確模擬臺(tái)風(fēng)、波浪和海流間的相互作用；塔筒風(fēng)荷載在葉片干擾段以橫風(fēng)向?yàn)橹?，在波浪干擾段以順風(fēng)向?yàn)橹?，并在低空波面附近表現(xiàn)出較強(qiáng)的脈動(dòng)特征；A位置葉片最安全而B位置最危險(xiǎn)；T4相位為海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的最不利相位，基底剪力最大達(dá)7.68×106量級(jí)，基底彎矩最大達(dá)5.2×108量級(jí)。

關(guān)鍵詞 風(fēng)荷載分布; 臺(tái)風(fēng)?浪?流耦合模擬; 海上風(fēng)力機(jī); 中/小尺度嵌套; 干擾效應(yīng)

引 言

與陸上相比，海上風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境更加惡劣，承受復(fù)雜多變的風(fēng)況與海況，面臨臺(tái)風(fēng)、巨浪、急流等極端復(fù)雜海洋環(huán)境的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。尤其是臺(tái)風(fēng)過程中三者交互運(yùn)動(dòng)衍生出臺(tái)風(fēng)?浪?流耦合的復(fù)雜形態(tài)［1?2］，由此導(dǎo)致的海上風(fēng)力機(jī)風(fēng)毀事故屢見不鮮［3?6］，成為海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的技術(shù)瓶頸。

目前，針對(duì)臺(tái)風(fēng)形成的極端海洋氣候的研究主要依賴于數(shù)值模擬。其中，WRF模式可考慮多物理過程模擬真實(shí)大氣和地形下的風(fēng)場(chǎng)，是目前應(yīng)用最廣泛的臺(tái)風(fēng)研究與預(yù)報(bào)技術(shù)［7］；第三代海浪模式SWAN可模擬近岸波浪傳播變形、風(fēng)浪及涌浪，在中國(guó)渤海［8］、東海［9］和南海［10］的臺(tái)風(fēng)浪模擬中得到了大量驗(yàn)證；有限體積海洋模式FVCOM具備模擬海灣、灘涂等復(fù)雜邊界對(duì)于海流動(dòng)力環(huán)境影響的能力，廣泛應(yīng)用于海流運(yùn)動(dòng)的研究［11］。然而，臺(tái)風(fēng)、浪、流三者在交互運(yùn)動(dòng)中存在強(qiáng)烈的耦合作用：臺(tái)風(fēng)掀起巨浪顯著改變海表面粗糙度；波浪輻射應(yīng)力為海流流動(dòng)提供驅(qū)動(dòng)力；海流運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致波浪傳播變形。已有研究大多忽略了臺(tái)風(fēng)、浪、流三者間的反饋信息，單一模式無法精確模擬臺(tái)風(fēng)過程中的特異性風(fēng)場(chǎng)。

考慮到臺(tái)風(fēng)模擬網(wǎng)格分辨率為千米量級(jí)，而風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)僅有百米量級(jí)，若要準(zhǔn)確模擬其結(jié)構(gòu)表面的荷載分布狀況，則需提取厘米級(jí)以下的邊界層網(wǎng)格信息，此時(shí)上述中尺度模式將完全失效。小尺度CFD擅長(zhǎng)模擬結(jié)構(gòu)物附近的流體運(yùn)動(dòng)與壓力波動(dòng)，被廣泛應(yīng)用于近海風(fēng)力機(jī)風(fēng)荷載分析［12?16］。采用中/小尺度嵌套方法［17?18］進(jìn)行海上風(fēng)力機(jī)臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的降尺度模擬是解決該問題的新思路，其中中尺度流場(chǎng)與小尺度結(jié)構(gòu)的多層次網(wǎng)格嵌套、高精度傳遞、多時(shí)間尺度控制、跨尺度突變等問題的處理是關(guān)鍵。

鑒于此，基于MCT建立中尺度W?S?F耦合模擬平臺(tái)，首先分析了“威馬遜”過境中國(guó)南海，廣東外羅風(fēng)電場(chǎng)中的臺(tái)風(fēng)?浪?流的時(shí)空演變特性；其次，結(jié)合小尺度CFD臺(tái)風(fēng)?浪?流數(shù)值水池分析了極端工況下風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷分布特性；最后，分析葉片?塔筒?波浪面之間的干擾效應(yīng)，并提出了海上風(fēng)力機(jī)典型位置極值荷載模型。

1 中/小尺度嵌套方法

1.1 總體嵌套模擬方法

基于MCT建立中尺度W?S?F實(shí)時(shí)雙向耦合模擬平臺(tái)，首先模擬超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”過境廣東外羅風(fēng)電場(chǎng)的海洋環(huán)境，主要包括：臺(tái)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速、波浪場(chǎng)波形要素、海流場(chǎng)潮位及流速等要素的時(shí)空分布信息；其次將上述計(jì)算結(jié)果作為小尺度CFD臺(tái)風(fēng)?浪?流水池的入流邊界條件，實(shí)現(xiàn)中/小尺度嵌套模擬；在此基礎(chǔ)上，提煉出臺(tái)風(fēng)?浪?流耦合作用下海上風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載分布特性。嵌套主要流程如圖1所示。

1.2 中尺度W?S?F耦合平臺(tái)

W?S?F耦合平臺(tái)數(shù)據(jù)傳遞框架如圖2所示。平臺(tái)通過MCT調(diào)動(dòng)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)各子模式之間的實(shí)時(shí)耦合。其中，WRF向SWAN，F(xiàn)VCOM傳遞風(fēng)速，用以生成波流運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)；FVCOM向WRF傳遞海表溫度，更新WRF子模式的下墊層溫度進(jìn)而影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和路徑；FVCOM向SWAN傳遞海流的潮位與流速，影響波浪的波形要素變化；SWAN向FVCOM傳遞波形要素，影響海流的運(yùn)動(dòng)過程和分布形式；SWAN向WRF傳遞波形要素，影響臺(tái)風(fēng)的風(fēng)速剖面與運(yùn)動(dòng)過程。

1.3 小尺度CFD數(shù)值水池

圖3給出了臺(tái)風(fēng)?浪?流數(shù)值水池三維模型示意圖。臺(tái)風(fēng)、波浪與海流均沿X軸正向傳播，并在水池尾部添加動(dòng)量源阻尼以實(shí)現(xiàn)消波［19］。選用RNG k?ε湍流模型，基于三維雙精度分離式求解器，采用PISO算法實(shí)現(xiàn)壓力與動(dòng)量的解耦。壓力方程選用加權(quán)體積力格式，自由面重構(gòu)方法采用Modified HRIC，邊界條件設(shè)置如下：出入口分別采用速度入口與壓力出口，底面設(shè)為壁面邊界，其余邊界采用對(duì)稱邊界。

相比線性波，二階Stokes波存在質(zhì)點(diǎn)漂移和質(zhì)量前移，更接近實(shí)際海況，速度勢(shì)φ（x，z，t）為：

式中 H，T，L和d分別為波浪的波高、周期、波長(zhǎng)和靜水深度；k為波數(shù)；ω為圓頻率。

波高方程η（x，t）為：

波浪水平向流速uwx為：

波浪垂直向流速uwz為：

海流速度沿水深分布據(jù)1/7指數(shù)率［20］：

式中 vc為海流的水深平均流速。

水質(zhì)點(diǎn)水平向速度根據(jù)波流共同作用下流速場(chǎng)理論［21］定義：

波面以上的臺(tái)風(fēng)風(fēng)速依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［22］采用指數(shù)率梯度風(fēng)定義：

式中 U10為基本風(fēng)速；α為風(fēng)剖面指數(shù)。

2 數(shù)值模擬

2.1 中尺度W?S?F模擬

模擬對(duì)象為2014年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”，最大風(fēng)力等級(jí)達(dá)17級(jí)，為建國(guó)以來登陸中國(guó)的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)［23］。WRF子模式模擬包含7月16日6時(shí)到19日6時(shí)臺(tái)風(fēng)登陸南海全過程。大氣初始邊界條件基于全球歷史再分析FNL數(shù)據(jù)，區(qū)域空間分辨率為1°×1°。水平方向采用三層雙向自嵌套Arakawa C網(wǎng)格，其分辨率從外至內(nèi)依次為9 km（d01），3 km（d02），1 km（d03）；最高等壓面取為5000 Pa，高度方向沿地形歐拉質(zhì)量坐標(biāo)系共設(shè)置37層網(wǎng)格，其中1000 m以下設(shè)置19層。地圖投影采用Mercator方案，WRF模擬參數(shù)化方案如表1所示。

FVCOM，SWAN共用一套非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)近岸和水深變化劇烈處網(wǎng)格進(jìn)行加密，最小網(wǎng)格間距為200 m，最大網(wǎng)格間距為10 km，網(wǎng)格總數(shù)約為7.5萬，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

SWAN子模式海浪譜頻率范圍為0.04～1 Hz并離散為100個(gè)頻段，風(fēng)速數(shù)據(jù)來自WRF子模式計(jì)算結(jié)果，并考慮白帽耗散、底摩擦、波破碎及波?波非線性作用等物理過程；FVCOM子模式采用σ坐標(biāo)系，沿高度方向設(shè)置15層網(wǎng)格。初始海溫采用NECP提供的0.5°×0.5°分辨率全球日平均海表溫度RTG_SST，潮位開邊界使用CHINATIDE提取。

2.2 W?S?F模擬有效性驗(yàn)證

表2給出了W?S?F平臺(tái)、單WRF模式與日本氣象臺(tái)（JMA）臺(tái)風(fēng)路徑對(duì)比結(jié)果。相比JMA最佳路徑，單WRF模式與W?S?F平臺(tái)模擬的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑均略偏北。單WRF模式的平均誤差為43.85 km，而W?S?F的平均誤差為25.21 km，W?S?F耦合平臺(tái)對(duì)于臺(tái)風(fēng)路徑的模擬精度提高了42.51%，最小誤差僅有12.16 km。

以AVISO發(fā)布的Jason?2衛(wèi)星波高遙感數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證資料，圖5給出了W?S?F平臺(tái)波高模擬驗(yàn)證示意圖。由圖5可知：相比單一SWAN模式，W?S?F平臺(tái)模擬結(jié)果與JASON?2衛(wèi)星數(shù)據(jù)更加吻合，尤其在大波高區(qū)間具有更高的模擬精度，可驗(yàn)證中尺度W?S?F耦合平臺(tái)模擬結(jié)果的有效性。

2.3 中尺度模擬結(jié)果分析

圖6給出了臺(tái)風(fēng)登陸廣東時(shí)臺(tái)風(fēng)?浪?流耦合模擬結(jié)果示意圖。由圖6可知：臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過程中風(fēng)場(chǎng)圍繞臺(tái)風(fēng)眼呈逆時(shí)針旋，且后眼壁區(qū)域風(fēng)速大于前眼壁；波高的空間分布呈現(xiàn)“月牙狀”，臺(tái)風(fēng)眼附近形成小浪區(qū)而在右側(cè)形成大浪區(qū)；海流場(chǎng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)存在顯著的滯后性和偏右性，海流圍繞臺(tái)風(fēng)眼后方逆時(shí)針流動(dòng)，右側(cè)流速顯著大于左側(cè)，且在臺(tái)風(fēng)眼右后方出現(xiàn)流速較大的回流區(qū)；在海南和廣東登陸時(shí)，由于近岸淺水效應(yīng)導(dǎo)致波高迅速降低，海流流速顯著加快。

圖7給出了外羅風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過境時(shí)的臺(tái)風(fēng)、浪、流時(shí)程曲線。由圖7可知：基本風(fēng)速隨臺(tái)風(fēng)過境不同階段呈現(xiàn)M型變化規(guī)律，基本風(fēng)速最大值為45.54 m/s，出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)后眼壁區(qū)域（55 h）；波浪與海流隨臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的響應(yīng)具有一定滯后慣性，波高最大值為8.85 m；海流流速最大值為2.408 m/s。

2.4 小尺度CFD模擬

圖8給出了海上風(fēng)電場(chǎng)中風(fēng)速最大時(shí)的臺(tái)風(fēng)剖面及湍流剖面。由圖8可知：由W?S?F耦合平臺(tái)輸出結(jié)果擬合風(fēng)剖面指數(shù)為0.091，而規(guī)范［22］定義A類地貌的對(duì)應(yīng)值為0.12，且同一高度處臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速與湍流度數(shù)值明顯高于A類良態(tài)風(fēng)場(chǎng)。

已有研究表明：葉片完全遮擋塔筒時(shí)，風(fēng)力機(jī)體系抗風(fēng)性能處于最不利停機(jī)位［24］。CFD模擬的入流邊界選自W?S?F平臺(tái)中風(fēng)速最大時(shí)的臺(tái)風(fēng)?浪?流參數(shù)，工程概況如表3所示。

2.5 CFD網(wǎng)格劃分

表4給出了不同網(wǎng)格方案下的參數(shù)對(duì)比。由表4可知：隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，網(wǎng)格質(zhì)量逐漸增高，波高誤差和網(wǎng)格歪斜度呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)。方案四和方案五表明：隨網(wǎng)格數(shù)量增加測(cè)點(diǎn)壓力系數(shù)變化很小，方案五已達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)條件，選取網(wǎng)格總數(shù)為3590萬的方案。

圖9為臺(tái)風(fēng)?浪?流數(shù)值水池網(wǎng)格劃分示意圖。網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格離散形式，將整個(gè)計(jì)算域分為內(nèi)外兩個(gè)部分。核心加密區(qū)采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)壁面第一層網(wǎng)格高度取為0.002 m，漸變率為1.1，y+值范圍在30～50。外圍區(qū)域較為規(guī)整，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，近波面網(wǎng)格分辨率取為Δx=L/150，Δy=H/10，Δz=H/30。

2.6 CFD模擬有效性驗(yàn)證

圖10給出了風(fēng)力機(jī)未干擾段平均風(fēng)壓與規(guī)范曲線對(duì)比示意圖。分析可知，臺(tái)風(fēng)場(chǎng)作用下風(fēng)力機(jī)未干擾段塔架平均壓力系數(shù)與規(guī)范［22］沿環(huán)向分布規(guī)律基本一致，僅在背風(fēng)區(qū)和側(cè)風(fēng)面的負(fù)壓極值區(qū)略小于規(guī)范值，可驗(yàn)證CFD模擬的有效性。

3 風(fēng)荷載特性分析

3.1 塔筒荷載分布

圖11定義了風(fēng)力機(jī)塔筒和葉片局部坐標(biāo)系示意圖，其中X向?yàn)轫橈L(fēng)向風(fēng)荷載，Y向?yàn)闄M風(fēng)向風(fēng)荷載，Z向?yàn)檩S向風(fēng)荷載。

將塔筒從下至上平均分為15段，每段10 m，分別為Cy1～Cy15。圖12給出了風(fēng)荷載沿塔筒高度分布箱視圖，圖中左右邊界線為該段塔筒風(fēng)荷載最值，矩形左、右沿代表概率分布為25%，75%的荷載值，標(biāo)簽數(shù)值為模擬時(shí)間內(nèi)風(fēng)荷載均值。分析可知：Cy1～Cy5分段風(fēng)荷載受波浪起伏干擾影響較大，但隨高度增加影響作用逐漸減弱；順風(fēng)向風(fēng)荷載分別在Cy15，Cy12達(dá)到正、負(fù)最值，橫風(fēng)向風(fēng)荷載分別在Cy10，Cy7分段達(dá)到正、負(fù)最值，并在Cy12與Cy13分段出現(xiàn)順風(fēng)向負(fù)值風(fēng)荷載。葉片干擾段以橫風(fēng)向風(fēng)荷載為主，波浪干擾段以順風(fēng)向風(fēng)荷載為主。

3.2 干擾效應(yīng)分析

為探究波浪面起伏對(duì)塔筒風(fēng)荷載的干擾效應(yīng)，圖13給出了波浪面干擾段塔筒風(fēng)荷載時(shí)程曲線。由圖13可知：低空波面附近塔筒（Cy1～Cy2）所受風(fēng)荷載受波浪起伏的干擾表現(xiàn)出較強(qiáng)的脈動(dòng)特征，氣流略過波峰產(chǎn)生加速效應(yīng)導(dǎo)致順風(fēng)向風(fēng)荷載出現(xiàn)“峰刺”激增現(xiàn)象，最大瞬時(shí)風(fēng)荷載可達(dá)108 kN；橫風(fēng)向風(fēng)荷載表現(xiàn)為無明顯規(guī)律的正負(fù)交替。

為探究“塔影效應(yīng)”對(duì)塔筒風(fēng)荷載的干擾，圖14給出了塔筒沿高度方向的典型截面壓力云圖。由圖14可知：未干擾段塔筒附近壓力場(chǎng)沿0°入流角呈現(xiàn)對(duì)稱分布；隨葉片遮擋面積的增大，塔筒與葉片之間的正壓區(qū)域逐漸縮小，至Cy11分段正壓區(qū)域消失。Cy13段塔筒周圍已無正壓區(qū)域，葉片與塔筒迎風(fēng)面之間形成局部負(fù)壓增幅區(qū)，且塔筒背風(fēng)面壓強(qiáng)大于迎風(fēng)面導(dǎo)致其在順風(fēng)向出現(xiàn)負(fù)值荷載。

湍動(dòng)能TKE（Turbulent Kinetic Energy）是單位質(zhì)量流體的湍流脈動(dòng)動(dòng)能，是衡量湍流混合能力的重要指標(biāo)，其表達(dá)式如下：

式中 u，，v，，w，分別為x，y，z方向的脈動(dòng)風(fēng)速。

圖15給出了塔筒沿高度方向典型截面湍動(dòng)能分布云圖。由圖15可知：來流風(fēng)經(jīng)過葉片產(chǎn)生湍動(dòng)能增幅區(qū)，在葉片上下邊緣處湍動(dòng)能值較大，背風(fēng)面湍動(dòng)能值較小。Cy11與Cy15截面的葉片和塔筒之間風(fēng)場(chǎng)湍動(dòng)能數(shù)值較大，導(dǎo)致壓力場(chǎng)壓力梯度較大；Cy13截面塔筒附近湍動(dòng)能數(shù)值較小，導(dǎo)致該分段塔筒風(fēng)荷載脈動(dòng)特征相對(duì)較弱。

3.3 葉片荷載分布

圖16給出了各葉片風(fēng)荷載分布箱視圖。由圖16可知：順/橫風(fēng)向風(fēng)荷載沿葉展方向的變化較一致，均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律；順/橫風(fēng)向風(fēng)荷載最大值分別出現(xiàn)在距葉根21 m，13 m處，兩者最小值均出現(xiàn)在葉尖位置，且橫風(fēng)向風(fēng)載在葉尖附近接近于零；相比葉片A和C，葉片B在下半段風(fēng)荷載表現(xiàn)出較強(qiáng)的脈動(dòng)特征。“塔影效應(yīng)”對(duì)塔筒風(fēng)荷載干擾效應(yīng)較強(qiáng)而對(duì)葉片干擾較弱。

圖17給出了葉片B，C附近流場(chǎng)的湍動(dòng)能分布云圖。由圖17可知：來流風(fēng)經(jīng)過葉片產(chǎn)生湍動(dòng)能增幅區(qū)，在葉片上下邊緣處湍動(dòng)能值較大，在遠(yuǎn)流場(chǎng)區(qū)域，湍動(dòng)能逐漸耗散減小。相比葉片C，葉片B在葉根附近具有更大的湍動(dòng)能值，導(dǎo)致其風(fēng)荷載表現(xiàn)出更強(qiáng)的脈動(dòng)特性。

圖18給出了風(fēng)力機(jī)葉根風(fēng)荷載箱視圖，圖中上下三角形為荷載最值，圓點(diǎn)為模擬時(shí)間內(nèi)風(fēng)荷載均值，箭頭代表作用力方向。由圖18可知：順風(fēng)向風(fēng)荷載占主導(dǎo)地位，順風(fēng)向葉根剪力約為橫風(fēng)向的兩倍，最大值達(dá)到6.24×105量級(jí)；順風(fēng)向葉根彎矩約為橫風(fēng)向的三倍，最大值達(dá)到2.45×107量級(jí)；葉根扭矩值僅為2.31×105量級(jí)。葉片A位置低，風(fēng)速小，所受風(fēng)荷載最小且脈動(dòng)特性最弱，為最安全葉片；葉片B所受風(fēng)荷載略大于葉片A與C且脈動(dòng)特性最強(qiáng)，為最危險(xiǎn)葉片。

3.4 極值荷載

圖19給出了風(fēng)輪及塔筒根部極值荷載示意圖。由圖19可知：風(fēng)輪荷載主要集中在軸向推力與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，軸向推力達(dá)到1.71×106量級(jí)；三個(gè)葉片的側(cè)向力與偏航力矩接近內(nèi)力平衡狀態(tài)，合力量級(jí)較小。塔筒根部風(fēng)荷載集中在順風(fēng)向，而橫風(fēng)向風(fēng)荷載減小一個(gè)量級(jí)；順風(fēng)向剪力達(dá)到2.3×106量級(jí)，順風(fēng)向彎矩達(dá)到3.16×108量級(jí)，扭矩?cái)?shù)值極小，可忽略不計(jì)。

圖20給出了不同波浪相位下基礎(chǔ)柱荷載極值示意圖。由圖20可知：基底剪力與根部彎矩最大值均出現(xiàn)在T4相位，為海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的最不利相位。基底剪力最大達(dá)到7.68×106量級(jí)，其中水動(dòng)荷載占主體；基底彎矩最大達(dá)到5.2×108量級(jí)，其中風(fēng)荷載占主體?；着ぞ乇葟澗刂敌∪齻€(gè)量級(jí)，且基本為上部機(jī)體風(fēng)荷載所致，水動(dòng)荷載對(duì)基底扭矩的貢獻(xiàn)極小，可忽略不計(jì)。

4 結(jié) 論

基于建立的W?S?F實(shí)時(shí)耦合模擬平臺(tái)，提煉了臺(tái)風(fēng)“威馬遜”過境時(shí)外羅海上風(fēng)電場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)、浪、流參數(shù)，并采用中/小尺度嵌套的降尺度方法模擬并分析了臺(tái)風(fēng)?浪?流極端工況下最不利停機(jī)位風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷分布特性：主要結(jié)論如下：

（1）建立的W?S?F耦合平臺(tái)可準(zhǔn)確模擬臺(tái)風(fēng)過程中臺(tái)風(fēng)、波浪與海流的時(shí)空分布與演化特性，臺(tái)風(fēng)路徑的模擬精度較單WRF模式提高了42.51%；

（2）塔筒在葉片干擾段以橫風(fēng)向風(fēng)荷載為主，而在波浪干擾段以順風(fēng)向風(fēng)荷載為主，低空波面附近塔筒所受風(fēng)荷載受波浪起伏的干擾表現(xiàn)出較強(qiáng)的脈動(dòng)特征，風(fēng)荷載存在“峰刺”激增現(xiàn)象；

（3）葉片上風(fēng)荷載以順風(fēng)向風(fēng)為主導(dǎo)，且沿葉展方向呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律；A位置葉片最安全而B位置葉片最危險(xiǎn)；

（4）T4相位為海上風(fēng)力機(jī)單樁基礎(chǔ)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的最不利相位，基底剪力最大達(dá)到7.68×106量級(jí)，其中水動(dòng)荷載占主體，基底彎矩最大達(dá)到5.2×108量級(jí)，其中風(fēng)荷載占主體。

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Wind load characteristics of 10 MW?level super?large offshore wind turbine under the coupling effect of typhoon?wave?current

KE Shi?tang 1，2 WANG Shuo 1，2ZHAO Yong?fa 1，2ZHANG Wei 1，2LI Ye 3

1. Department of Civil and Airport Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China；

2. Jiangsu Key Laboratory of Hi?Tech Research for Wind Turbine Design， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China；

3. State Key Laboratory of Ocean Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China

Abstract Offshore wind turbine is a technological commanding height in wind power industrial development in future and it faces more complicated extreme wind environments compared with onshore wind turbine. To disclose wind load distribution characteristics of wind turbine under typhoon-wave-current coupling effect on the sea， a 10MW-level super-large offshore wind turbine in Wailuo Wind Farm， Guangdong is chosen as a research object and a real-time meso-scale WRF-SWAN-FVCOM （W-S-F） coupling simulation platform is constructed by using Model Coupling Toolkit （MCT）. The spatial-temporal evolution of typhoon-wave-current in the offshore wind farm in the whole landing process of the super typhoon “Ramason” is analyzed. Next， wind load characteristics of wind turbines and interference effect among blade， tower and wave surface are analyzed by combining the meso-micro scale nesting method. The extreme load model at typical positions of offshore wind turbine under extreme wind conditions is proposed. Results demonstrate that the constructed meso-scale W-S-F coupling platform can simulate interactions among typhoon， wave and current accurately. Wind loads on the tower are mainly transversal in the section within the blade interference， and are downward in the section within wave interference. Moreover， strong pulsation features are observed near the low-altitude wave surface. Blade at position A is the safest， while blade at position B is the most dangerous. T4 is the most adverse phase for single pile foundation strength design of the offshore wind turbine. At T4 phase， the maximum base shear reaches the 7.68×106 magnitude and the maximum base bending moment reaches the 5.2×108 magnitude.

Keywords wind load distribution; typhoon?wave?current coupling simulation; offshore wind turbine; meso?micro scale; interference effect