（水利水电工程专业论文）近海风电机组支撑体系的结构动力响应研究.pdf

s t u d yo ns t u c t u r ed y n a m i cr e s p o n s eo f s u p p o r ts y s t e mo fo f f s h o r ew i n d t u r b i n e d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt on h r ii nf u l f i l l m e n to f t h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gi ns c i e n c e b y z h a n gl u c h e n s u p e r v i s o r ：p r o f l u os h a o z e n a n j i n gh y d r a u l i cr e s e a r c hi n s t i t u t e m a r c h ，2 0 1 0 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 1 0 年3 月 南京水利科学研究院、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的 复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密 论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权南京水利科学研究院研究生处办理。 论文作者( 签名) ：2 0 1 0 年3 月 摘 要 摘要 能源危机与低碳经济是全世界面临的共同问题，风力发电是清洁的可再生新 能源，近海是建设风力发电场的理想场所。但随着风机单机功率的增大，塔架一 承台一基础桩组成的机组支撑体系，在波浪、潮汐、风、机电的动力荷载作用下 的动力安全逐渐成为一关键技术难题。 本文依托东海大桥近海风电场示范工程，研究了近海风力发电机组的基础桩 群潮汐水动力脉动特性、承台一桩群的结构动特性、支撑体系自振特性及多类荷 载作用下结构的动力响应，分析评价其动力安全，取得以下成果： ( 1 ) 通过水工模型试验研究对称排列的8 圆柱基础桩群潮汐流水动力脉动 特性，使用p i v 测量承台绕流流场。研究表明，雷诺数在亚临界区圆柱绕流的边 界层和尾流均为湍流，且湍流中存在“疑似 脱落的旋涡。受邻桩影响8 圆柱斜 桩群脉动压力分布复杂：并列柱影响大于串列：受间隙流和尾流影响，柱内侧出 现谷值，内外侧不对称；斜柱使分离层和尾流发生偏离，形成叠加产生较大的脉 动压力峰值；柱群中流向两侧柱的脉动压力较大，分布规律较复杂。圆柱越多， 小间距下s t 数越小，旋涡脱落频率越低，且此小间距比的上限范围越大。 ( 2 ) 采用实验模态分析方法研究承台一桩群的结构动特性，对比潮汐水动力 特性分析其流激振动。结果揭示，塔架一承台一桩群的整体弯曲模态频率远远脱离 潮汐流脉动高能区，潮汐流脉动单独作用对基础桩振动影响不大，但波浪力的作 用不容忽视。 ( 3 ) 通过建立支撑体系有限元模型研究其自振特性，分析大功率风机质量、 基础桩数量对自振特性影响。分析认为，风机质量对支撑体系低阶自振频率影响 较大；桩数减少自振频率稍有降低，影响较小。在满足安全条件下，可以适量减 少桩的数量以省投资，同时改善绕流流态。 ( 4 ) 考虑水、风、机电各类动力荷载作用的机组支撑体系动力响应有限元 计算得出，承台与桩群的位移较小，塔架顶部出现相对较大位移；位移响应与结 构一阶自振振型相近，主要系潮汐流、风涡等低频动力作用；风是主要荷载，水 力荷载次之，机电荷载基本可以忽略。支撑体系的动力安全应从塔架高度、水力 脉动特性、基本风压、结构动力响应等方面综合分析评价。 摘要 本文在以下两方面有所创新：( 1 ) 通过水工模型试验研究8 圆柱绕流脉动压 力特性，采用p i v 测量绕流流场；( 2 ) 考虑水、风、机电等各类动力荷载作用， 综合采用水工模型试验、实验模态分析、有限元计算等多手段，从荷载特性、结 构自振特性、位移与加速度响应等角度，分析评价机组支撑体系的动力安全。 关键词：近海风力发电机组支撑体系圆柱绕流脉动压力特性结构动特性动 力响应 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ee n e r g yc r i s i sa n dt h el o w - c a r b o ne c o n o m yi sac o m m o n p r o b l e mf o ra l lo v e r t h ew o r l d w i n dp o w e ri sac l e a n ，r e n e w a b l en e we n e r g ya n do f f s h o r ea r e ai sa l li d e a l p l a c et ob u i l dw i n df a r m o f f s h o r ew i n dt u r b i n es u p p o r ts y s t e mi su s u a l l yc o m p o s e d b yt o w e ls l a b ，a n dp i l eg r o u p w j t hl a g e ro u t p u tp o w e ro fw i n dt u b i n e ，s u p p o r t s y s t e m sp o w e rs a f e t yu n d e rw a v e ，t i d e ，w i n d ，m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lp o w e rl o a d s i sb e c o m i n gak e yt e c h n i c a lp r o b l e m t h i sp a p e rb a s e do nt h ee a s tc h i n as e ab r i d g eo f f s h o r ew i n df a r m d e m o n s t r a t i o np r o j e c t ，s t u d i e sp r o p e r t i e so ft i d ef l u c t u a t i n gp r e s s u r eo np i l eg r o u p ， s t r u c t u r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs l a b p i l e s ，n a t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f s u p p o r ts y s t e m ，a n ds t r u c t u r e sd y n a m i cr e s p o n s eu n d e rm a n yt y p e so fl o a d i ta l s o a n a l y s i s e sa n d e v a l u a t e si t sp o w e rs e c u r i t y t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) c h a r a c t e r i s t i c so ft i d ef l u c t u a t i n gp r e s s u r eo ne i g h tc y l i n d r i c a lp i l eg r o u p f u n d a t i o ni ns y m m e t r i c a la r r a n g e m e n tt h o u g hh y d r a u l i cm o d e lt e s ta r es t u d i e da n dt h e p i vi su s e dt om e a s u r ef l o wf i e l da r o u n dt h es l a b r e s e a r c hs h o w st h a tt h eb o u n d a r y l a y e ra n dw a k ef l o wa r o u n dp i l eg r o u pa r et u r b u l e n t ，a n dt h e r ei st h e ”s u s p e c t e d ” v o r t e xs h e d d i n gw h e nr e y n o l d sn u m b e ri si nt h es u b c r i t i c a lr e g i o n a f f e c t e db y a d j a c e n tc o l u m n sd i s t r i b u t i o no ff l u c t u a t i n gp r e s s u r eo ne i g h tc y l i n d r i c a lo b l i q u ep i l e s i sc o m p l e x ：i m p a c to fp a r a l l e lc y l i n d e r si s g r e a t e rt h a ns e r i a l ；b yt h ee f f e c t so f c l e a r a n c ef l o wa n dw a k et h em e d i a l c y l i n d e ra p p e a r sv a l l e y , w i t ht h el a t e r a l a s y m m e t r y ；i n c l i n e dc y l i n d e rd e f l e c t ss e p a r a t i o nl a y e ra n dw a k e ，a n ds u p e r p o s i t i o n o c c u r st of o r maf l u c t u a t i n gp r e s s u r ep e a k ；f l u c t u a t i n gp r e s s u r eo nc y l i n d e r si nl a t e r a l f l o wi sl a r g e r , a n di t sd i s t r i b u t i o ni sm o r ec o m p l e x t h em o r ec y l i n d e r s ，t h es t n u m b e ri ss m a l l e ri ns m a l ls p a c e ，v o r t e xs h e d d i n gf r e q u e n c yi sl o w e r , a n dt h eu p p e r l i m i to ft h i ss m a l ls p a c ei sg r e a t e r ( 2 ) d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs l a b p i l e si sr e s e a r c h e db ya p p l y i n ge x p e r i m e n t a l m o d a la n a l y s i sa n df l o w - i n d u c e dv a b r a t i o ni s a n a l y s i s e db yc o m p a r i n gt i d a l h y d r o d y n a m i ca c t i o n r e s u l tr e v e a l e st h a tm o d a lf r e q u e n c yo fp i l eg r o u pf o u n d a t i o n s m o n o l i t h i cb e n d i n gi sf a rf r o mt h em a i nf r e q u e n c yo ft i d a lh y d r o d y n a m i cp u l s a t i o n i l l a b s t r a c t s os e p a r a t ea c t i o no ft i d a lp u l s a t i o nh a sl i t t l ee f f e c to nv i b r a t i o no ft h ep i l eg r o u p f o u n d a t i o n b u tt h er o l eo fw a v ef o r c e sc a r tn o tb ei g n o r e d ( 3 ) n a t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u p p o r ts y s t e mi ss t u d i e db ye s t a b l i s h i n g f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fi t m e a n w h i l e ，i n f l u e n c eo fq u a l i t yo fl a r g e - p o w e rt u r b i n ea n d q u a n t i t yo fp i l eg r o u po nn a t u r a lv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y s i s e d i ti si n d i c a t e d t h a tq u a l i t yo fl a r g e - p o w e rt u r b i n eh a sg r e a te f f e c to nl o w - o r d e rn a t u r ef r e q u e n c yo f s u p p o r ts y s t e m a n dw i t ht h ed e c r e a s ei nt h en u m b e ro fp i l e s ，n a t u r ef r e q u e n c yi s s l i g h t l yd i m i n i s h i n g t h u sm e e t i n gs a f ec o n d i t i o n s ，q u a n t i t yo fp i l e sc a nb ep r o p e r l y r e d u c e dt os a v ei n v e s t m e n ta n di m p r o v i n gf l o ws t a t e ( 4 ) f i n i t ee l e m e n t c a l c u l a t i o no fs u p p o r ts y s t e mc o n s i d e r i n gw a t e r , w i n d ， e l e c t r i c a la n dm e c h a n i c a le f f e c td e m o n s t r a t e st h a t ，t h ed i s p l a c e m e n to fp i l eg r o u pa n d s l a bi ss m a l l ，r e l a t i v el a r g ed i s p l a c e m e n ta p p e a r sa tt h et o po ft o w e r d i s p l a c e m e n t r e s p o n s ei ss i m i l a rw i t hs t r u c t u r ef i r s t - o r d e rn a t u r a lv i b r a t i o nm o d e a n di ti sp r i m a r i l y a f f e c t e db yt i d e ，w i n dv o r t e xa n do t h e rl o w - f r e q u e n c yd y n a m i c w i n di sm a i nl o a d ， h y d r a u l i cl o a dt a k e ss e c o n dp l a c e ，a n dm e c h a n i c a l a n de l e c t r i c a ll o a d sc a nb e s u b s t a n t i a l l yi g n o r e d a n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fd y n a m i cs e c u r i t yo fs u p p o r ts y s t e m s h o u l db a s eo nh e i g h to ft o w e r , h y d r a u l i cp u l s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h eb a s i cw i n d p r e s s u r e ，s t r u c t u r a ld y n a m i cr e s p o n s e ，e t c i n n o v a t i o ni nt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ：( 1 ) s t u d y i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft i d e f l u c t u a t i n gp r e s s u r eo ff l o wa r o u n de i g h tc y l i n d e r st h o u g hh y d r a u l i cm o d e lt e s ta n d u s i n gt h ep i vt om e a s u r ef l o wf i e l d ；( 2 ) c o n s i d e r i n gw a t e r , w i n d ，e l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a ll o a d s ，s y n t h e s i z i n gh y d r a u l i cm o d e lt e s t s ，e x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ， f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n a l y s i s i n ga n de v a l u a t i n gs u p p o r ts y s t e m ss e c u r i t yf r o mt h e s t a n d p o i n to fl o a dc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，d i s p l a c e m e n ta n d a c c e l e r a t i o nr e s p o n s e ，e t c k e y w o r d s ：o f f s h o r ew i n dp o w e r , s u p p o r ts y s t e m ，f l o wa r o u n dc y l i n d e r s ，f l u c t u a t i n g p r e s s u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，d y n a m i cr e s p o n s e i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 第一章绪论1 1 1 选题背景l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 圆柱绕流研究3 1 2 2 结构动态特性研究9 1 2 3 海上风电机组支撑体系动力安全研究1 1 1 3 本文研究内容及方法1 2 第二章基础桩群潮汐水动力特性研究1 3 2 1 圆柱桩群绕流水工模型试验1 3 2 1 i ：【程背景1 3 2 1 2 模犁设计1 4 2 1 3 测量仪器及设备1 4 2 1 4 脉动压力测点布置1 4 2 1 5 研究工况1 6 2 2 承台流场1 6 2 2 1p i v 激光测速系统1 6 2 2 2 绕流流场2 0 2 3 绕流脉动特性2 3 2 3 1 脉动压力随机分布特征2 3 2 3 2 脉动压力时域幅值特性3 0 2 3 3 脉动压力频域能量分布特性4 0 2 4 本章小结4 6 第三章基础桩群结构动特性研究4 7 3 1 研究方法4 7 3 1 1 数学模型4 7 3 1 2 物理模型4 8 3 2 结构动特性试验4 9 3 2 1 结构弹性模型4 9 3 2 2 结构动特性试验5 0 3 2 3 模态参数计算嫡5 2 3 3 结构动特性5 2 3 4 流激振动响应分析5 4 v 目录 3 4 1 潮汐流影响5 5 3 4 2 波浪影响5 5 3 5 本章小结5 7 第四章支撑体系的自振特性研究5 8 4 1 研究方法5 8 4 1 1 基本理论5 8 4 1 2 控制方程5 8 4 2 支撑体系有限元模型5 9 4 3 支撑体系自振特性6 0 4 3 1 风机质量对自振特性影响6 0 4 3 2 桩数对自振特性影响6 2 4 4 本章小结6 6 第五章支撑体系的结构动力响应研究6 7 5 1 动力荷载分析6 7 5 1 1 水力脉动6 7 5 1 2 风力脉动6 8 5 1 3 机械振动7 l 5 1 4 电磁颤振7 2 5 1 5 共振校核7 3 5 2 支撑体系动力响应分析7 4 5 2 1 控制方程旧11 6 7 1 7 4 5 2 2 质量矩阵和阻尼矩阵7 4 5 2 3 动力响应7 6 5 3 动力安全性分析8 l 5 4 本章小结8 1 第六章结论与展望8 2 6 1 结论8 2 6 2 展望8 3 参考文献8 4 硕士期间发表的论文及参与的科研项目8 8 致谢8 9 v l 第一章绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 煤、油、( 天然) 气等传统能源的过度消耗成就了现代工业的高速发展，伴随 的是环境污染与气候变化，能源危机与低碳经济是全世界面临的共同问题，充分 利用风能、太阳能、核能等新能源是人类社会实现可持续发展的必由之路。新能 源中风能具有分布广泛、开发技术相对成熟、利用成本相对较低的特点，最具市 场潜力，近年来在我国掀起一股大力开发的热潮堙1 ，逐步发展成为新兴产业。 近海风能资源丰富、资源利用率高，是建设风力发电场的理想场所。自1 9 9 1 年世界上首座海上风电场在丹麦建成以来，海上风力发电成为风力发电领域的全 新亮点，部分建成或在建的风电场如表l - l 口1 。从表中看出，尽管我国起步较晚， 但在世界海上风力发电发展基础之上，目前我国建设水平处于较先进地位。 表1 1世界建成或在建的风电场曲1 究 风 满 洋 问 塔 波 故 振 海 作 经 图1 1 塔架破坏副1 0 1 1 2 国内外研究现状 对于高桩承台基础的近海风力发电机组，潮汐流、波浪的水动力主要作用于 机组的圆柱桩群与承台，风荷载作用于塔架一承台一桩群的整个支撑体系，风机的 机电振动主要影响塔架。研究支撑体系的动力响应涉及多圆柱绕流问题、结构自 振特性的实验与计算、动力响应计算分析与安全性评价。 2 第一章绪论 1 2 1 圆柱绕流研究 圆柱绕流是钝体绕流的最重要子课题，钝体绕流是流体力学的经典研究课 题。流体经过钝体会在大部分物面发生分离，从而衍生出流动的分离、旋涡生成 和脱落、涡互相干扰等基本理论问题。钝体绕流的重要特征是尾流中出现周期性 的涡脱落，产生作用于物体的周期性非定常载荷，进而激励结构振动即涡致振动。 烟囱、架空电缆、风机桩基、海底管道等是常见的圆柱绕流实例，圆柱绕流 是钝体绕流问题的简化，是理论与实用价值极高的研究课题，一个世纪以来人们 乐此不疲。 1 9 1 2 年k a r m a n 研究了涡街的形成和稳定性并确定了涡系动量与尾流阻力间 的关系，1 9 5 4 年r o s h k o 实验发现了圆柱绕流存在转捩区并确定其尾迹在低r e 数和中等r e 数之间存在着三个不同的发展阶段，1 9 9 2 年w i l l i a m s o m 通过实验确 定圆柱绕流三维转捩区发生在雷诺数18 0 2 6 0 范围，1 9 9 6 年w i l l i a m s o m 研究了 不同r e 圆柱绕流涡的三维形态。 圆柱绕流是涉及边界层、分离自由剪切层、尾迹的复杂流动现象，基本研究 手段是数值模拟与实验测量。随着计算技术与量测手段的提高，数值模拟已发展 到三维直接模拟【l l l 。f 1 3 】，流动测试己应用p i v 技术1 1 4 j 。关于圆柱绕流的理论研究 非常丰富，但对绕流现象物理本质的理解仍不完整。 ( 1 ) 单圆柱绕流 根据p r a n d t l 的边界层理论1 15 1 ，绕圆柱的流动可以分为两个区：主流区和边 界层区。当主流的压强沿流增加时，边界层内就形成了逆压梯度，流体质点在逆 压和粘滞力的联合作用下，速度沿流递减，直到完全停滞。逆压继续作用，就会 出现倒流。而层外主流不受粘滞阻力作用，到停滞点s 处还有一定速度继续前进。 于是在s 点后形成明显的回流区，而主流被越来越推离边界这就是边界层分 离现象，s 为分离点。分离的边界层盘绕起来形成一个或多个旋涡，其运动即为 尾流，如图1 2 所示。 圆柱绕流问题中最主要参数就是雷诺数和斯特劳哈数【1 6 1 。描述圆柱尾迹中的 周期性旋涡脱落现象，常采用无量纲的斯特劳哈数： s t = f d u ( 1 - 1 ) 其中f 是旋涡脱落频率。 第一章绪论 图1 2 单圆柱绕流示意图 涡量通过扩散和对流在流体中传播，这两个过程由惯性力和粘性力控制，其 比值就是雷诺数： r e = u d v ( 1 2 ) 其中u 是均匀来流速度，d 为圆柱直径，v 是流体运动粘度系数。 已有研究表明n 引，流态与r e 数关系如下表： 表1 2雷诺数与流态关系 雷诺数r e流态描述示意图 r e 5 流动无分离 5 r e 4 0圆柱后出现一对稳定旋涡 4 0 r e 2 1 0 4 ，c p 在1 5 5 。左右有第二峰值。 q 5 0 0 o 3 氧 。 妣 o 1 铁5 鲫l l 鲫l 踟 妒m e g ) r 什，p2 x l o a t ，1 5 l 酶e4 4 x 1 1 p i 口，5 0 x 1 吨qt 1 1 x l t p ，丫7 2 x 1 0 3 l 。 8 1 x l 沪l ，2 0 1 0 - x 。6 i x l 0 。，2 i x l o 如 图1 3 单圆柱脉动压力分布酬1 2 i ( 2 ) 双圆柱绕流 实际工程中，圆柱往往成对或成群出现，双圆柱是多圆柱绕流问题中最简单 情况，国内外研究较多【1 9 】【2 8 l 。m m z d r a v k o v i c h 的两篇综述总结了亚临界雷诺数 下的情况1 2 9 】f 3 0 1 ，郭明曼系统地研究了双圆柱表面压力分布及脉动压力特性【3 l l 。 研究表明，双圆柱脉动压力不仅跟雷诺数有关，与圆柱相对位置有很大关系( 相 对位置示意如图1 4 ) ，在串列、并列、斜置情况下表现出不同的分布特性( 如图 1 5 1 7 ) 。 一一。1 lr i 图1 4 双圆柱相对位置示意图 6 第一章绪论 图1 5 串列双圆柱脉动压力分布图【3 2 l 串列情况如图1 5 所示。前柱类似于单圆柱。在l d 2 0 时，后柱被包围在 前柱分离剪切层之内，表面脉动压力较小；u d 增大时，后柱再附点4 5 。左右处 c p 迅速增大，最高在o 8 左右，分离点也出现峰值，但明显小于再附点。 图1 6 并列双圆柱脉动压力分布图【3 l l 并列双圆柱如图1 6 所示。s d 2 0 时，脉动压力大幅跳升，显著超过单圆柱的脉动压力数值；内侧脉动压 力高于外侧，间距越小，干扰越强烈，高的越多。 7 芑l。a0芒王垂。穿耋毫菪霉 第一章绪论 图1 7 斜置双圆柱前、后柱脉动压力分布图【3 1 1 斜置双圆柱情况如图1 7 所示。当s d = 1 2 5 时，前、后柱的内、外侧脉动压 力分布呈现明显的不对称。当1 5 s d 3 0 时，前柱受到抑制，脉动压力系数远 远小于单柱；后柱尾迹内侧的旋涡被前柱尾流包裹和分割，造成后柱分离点附近 的c p 产生极小值。当3 5 s d 6 0 时，前、后柱的脉动压力分布曲线形状都和 单圆柱一致，内外基本对称。 双圆柱s t 数同样与排列方式及间距有关。s 啪n e r 【3 3 l 研究了在并列情况下s t 数随间距的变化关系：t d i 0 时，间隙流较弱，两圆柱可以视为一个整体，从 两圆柱外侧分离的剪切层相互作用，形成一个的旋涡尺度，因此s t 数大约为单 圆柱的一半；在1 0 t d 2 0 后，两圆柱的s t 数渐渐相等，最后趋于单 圆柱体。 郭明曼【2 4 1 在r e = 2 x1 0 4 下得出了串列双圆柱s t 数随间距的变化关系：当 2 0 s d 4 0 时，s t 数跳升到0 1 8 ，接着随着间距的增大而慢慢增大到单圆柱的0 2 ；s d 在3 5 4 0 之问可能存在着一个临界间距，在此临界间距s t 会在两种趋势下间歇切换。 k i y a 3 4 1 研究了斜置双圆柱在r e = 1 5 8 1 0 4 下的旋涡脱落现象，用s t 等值线 图总结了实验成果，并将其划分为5 个区域，如图2 2 3 所示：s t 数大于单圆 柱；s t 数小于单圆柱；有双稳态现象发生；两圆柱表现为一个整体：有 微弱或者没有旋涡脱落。 8 第一章绪论 ( 3 ) 三圆柱绕流 三圆柱绕流研究相对较少。a t s a y e r s 研究了成等边三角形排列的圆柱间干 扰问题【3 5 1 ，顾志福等讨论了在小间距下圆柱间的相互干扰机制【3 6 1 ，徐有恒测量 了不同间距比下各圆柱的压力分布【3 7 】f 3 8 1 ： 1 正品字形：前柱脉动压力变化比较平坦，基本都在o 1 以下。当间距比 为1 5 和2 0 时，并列后柱内侧出现很高的脉动压力峰值，而外侧很低且平坦。 当间距从2 0 增大到4 0 时，外侧脉动逐渐增强，且在分离点附近出现峰值，内 侧的脉动压力变得不规则，出现多个峰值。 2 侧品字形：前柱脉动压力变化比较平坦，当间距为4 0 时才在流动分离 点附近出现较小峰值。侧柱脉动变化也平坦，略高于前柱。后柱间距小于2 5 时， 外侧5 0 。和1 0 5 。附近出现峰值，且随着间距的增大，峰值逐渐减弱。内侧脉动 变化平坦，间距比超过3 0 ，出现强烈脉动，与外侧近似成对称分布。 3 倒品字形：小间距下脉动较大，间距比为1 5 时，达到最大值0 3 0 ，随 着间距增大，脉动压力曲线逐渐下降。后柱在间距比1 5 时在分离点及1 3 0 。附 近出现峰值，谷值在1 8 0 。处。倒品字形在小间距下相互影响严重。 董力耕3 9 1 分析了在r e = 3 x 1 0 4 下以上三种典型排列的s t 数随间距的变化。结 果表明：正品字形和侧品字形的前柱在小间距下因尾迹受到限制，导致s t 数大 大增大，而其后柱则稳定在0 1 9 。倒品字形在小间距下间隙流动微弱，下游圆柱 对上游并列圆柱的尾迹影响较小，三圆柱的整体性使s t 数很小，在0 1 左右；当 间距增大到2 5 时，上游两圆柱开始形成较强的旋涡脱落，s t 数增大；当间距增 大到4 o 时，三圆柱形成各自的旋涡脱落，脱落频率趋于单圆柱。 ( 4 ) 多圆柱绕流 迄今圆柱绕流研究手段是数值模拟辅以物理实验。尽管计算水平在不断提 高，但数值计算仍难以模拟大跨度雷诺数范围，物理实验研究集中在双、三圆柱 的气动力和低雷诺数的水动力上，缺乏四圆柱以上系统的实验资料，特别是流动 显示与同步压力测量相结合的水动力资料。 1 2 2 结构动态特性研究 随着工程结构日益往巨大、高耸、轻薄、复杂的方向发展，结构动态特性研 9 第一章绪论 究越来越成为设计、运行、检测中的重要环节。获取结构动态特性可以使用实验 方法和理论方法。实验方法主要指实验模态分析法，通过物理模型实验获取结构 在给定外力激励下的响应，将力与响应带入数学模型，通过数学运算求解结构动 特性；理论方法主要指有限元法，对结构进行离散，建立数学模型，求解系统的 振动响应参数。 ( 1 ) 实验模态分析法3 实验模态分析是研究复杂结构动态特性的先进技术，它是一种数学模型与物 理模型优势互补，相互结合的方法。其实质是一种坐标变换，把原物理坐标系统 中描述的响应向量转换到模态坐标系统中描述。从2 0 世纪6 0 年代开始发展，目 前应用在航空航天、动力机械、土木建筑、水利工程、能源开发等各工程领域。 6 0 年代到7 0 年代初是模态分析技术的发展阶段。重要进展之一是6 0 年代 初产生的跟踪滤波器，随后研制成模拟式机械阻抗仪，使测量频响的时间比过去 缩短了好几倍。6 0 年代后期，微型计算机系统的发展和快速富里叶变换( f f t ) 的 出现，大大缩短了计算频响函数的时间，使模态分析技术发生了一场革命。但这 一阶段实验模态分析的应用仅局限于振动故障检测和验证有限元计算的结果。 7 0 年代到9 0 年代是其成熟阶段。随着电子技术、信号处理技术与设备的发 展，模态分析理论及技术的基本成熟，模态分析进入了应用的黄金时期。在航空 航天、动力机械、机床设计、土木建筑、旋转机械等众多工业部门得到广泛应用， 涉及结构动力修改、结构优化设计、故障诊断、状态监测、声学分析等诸多领域。 9 0 年代至今可以说是完善阶段。线性模态理论方面的研究己日臻完善，但 在工程应用上，仍需进一步提高模态参数识别的精度和可靠性，在测试方法、数 据采集与分析方面还有不少研究工作可做。对复杂结构空间模态的测量分析、频 响函数耦合、高频模态检测、抗噪声干扰等方面尚需进一步研究和完善。模态分 析当前的一个重要发展趋势是非线性模态分析方向，即所谓非线性模态动力学。 非线性模态的正交性、解耦性、稳定性、模态的分叉、渗透等问题是当前研究的 重点和难点，非线性建模理论与参数辨识方面的研究是当今热点，其系统物理参 数的识别、载荷识别等需要突破。 ( 2 ) 有限元法4 3 1 m 1 4 5 1 有限元经过四十多年的发展，理论和算法同趋完善，在工程设计和分析中得 i o 第一章绪论 到了广泛应用。其核心思想是把结构离散化，就是将实际结构假想地离散为有限 数目的规则单元组合体，实际结构的物理性能可以通过对离散体进行分析，得出 满足工程精度的近似结果来替代对实际结构的分析。 随着计算机硬、软件技术的迅速发展，有限元分析( f e a ) 软件在功能、性 能、易用性、可靠性、适应性上得到大幅改进和扩充，为科学技术的发展和工程 应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的分析软件主要有n a s t r a n 、a d i n a 、 a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、m a g s o f t 、c o s m o s 等。m s c - n a s t r a n 软件 在兼并了p a t r a n 、d y t r a n 、m a r c 后，成为目前世界上规模最大的有限元 分析系统。a n s y s 软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、 电磁四种场的计算。a d i n a 非线性有限元分析软件在求解非线性、流固耦合分 析等方面功能强大，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现己成为非线性分析 计算的首选软件。 但是伴随科学技术的快速发展，结构大位移、大应变，热力耦合、流固耦合 等问题的出现，使线性理论、单一结构场逐渐不能满足设计要求。有限元分析需 往求解非线性问题和耦合场问题发展。 1 2 3 海上风电机组支撑体系动力安全研究 s t e i i l l l a r t 【4 6 】使用h a m i l t o n 原理研究了塔架和风叶的耦合问题，通过迦辽金公 式，用底舱和两个水平方向上的位移、俯仰和偏转四个自由度表达出塔架的模态 坐标，实现运动方程的联立。m u r t a g h 4 7 j 采用数值计算对一6 0 m 高的风力发电塔 架进行了动力分析，结果表明，风叶振动会导致不同转速下风电机组对于风塔的 作用力不同，不考虑二者相互耦合作用时会显著低估塔尖的动力响应。张学志【4 8 】 采用非线性的m o r i s o n 方程，建立了考虑流固耦合时的海洋平台非线性动力方程 及其时程分析方法。算例表明，在较大的波浪条件下，不考虑流固耦合时的计算 结果明显小于考虑流固耦合时的计算结果。p u n e e ta g a i w a l l 7 0 l 石g q ：究了波浪模型， 指出非线形波是一种较精确但仍需深入研究的方法。 t o r s t e n l 4 9 】等人采用简化模型分析了通过摆长调整特征频率的油阻尼器对于 降低塔架风振反应的效果。w i l m i n k 等人【5 0 】则提出采用t l c d ，质量减轻了一半 但效果很好。此外a r k a d i u s zm r o z 等人提出了一种半主动措施以减小冰荷载对塔 架的冲击力，其方法是采用一圆锥形结构附加于塔架与水平面交界的位最处，并 第一章绪论 对这一结构进行了数值分析，计算结果表明，采用这种方法可以有效地降低冰块 对塔架的撞击力。g r a c z y k o w s k i 等人【5 1 1 则采用多孔介质模型研究t r i o 弱冲击的 气囊减振效果。从目前研究情况来看，对支撑塔架的振动控制研究还十分有限， 所提出的振动控制措施主要应用于单一激励条件，没有考虑复杂环境激励综合影 响下的振动控制效果。 近年来大功率风机发展迅速，因此海上风电机组支撑体系的安全问题备受关 注。而目前对支撑体系的结构动力安全研究、监测、评价很少，国内外研究集中 在风机以及单一荷载作用上，对于考虑水、风、机电等多荷载激励作用下支撑体 系结构动力响应特性研究尚处空白。 1 3 本文研究内容及方法 本文依托东海大桥近海风电场示范工程，通过水工模型试验研究基础桩群