海上风力机塔架的非规则线性波分析

海上风力机塔架的非规则线性波分析

0海上风力机塔架风力发电机理地球海岸总长超过50万公里。可开发的风力资源丰富，海面粗糙度，水流强度低，主导趋势稳定。风速比沿海地面高约25%。大风机可以吸收更多的风力。可以说海上风力发电具有极大潜力,是当前风力发电技术主要发展方向。大型海上风力机塔架一般采用圆锥筒形薄壁结构。除了由于风作用于风力机风轮和塔架产生的气动载荷外,塔架和基础还受到波浪、流作用的水动力载荷,塔架的变形和振动直接影响风轮以及整个风力机结构的空气动力学和结构动力学特性本文分析了海上风力机塔架复杂的外界载荷条件,计算了过临界条件下作用在塔架上顺风和横风向的气动载荷;在应用线性波理论的基础上,经过坐标变换,将二维线性波理论1塔架气动载荷海上风力机塔架受到外部载荷如图1所示:机舱和风轮的重力G、风轮通过机舱传递到塔架顶部的弯矩M作用在风轮上并传递到塔架上的气动载荷是一个随时间变化的三维空间载荷。海上风速较大,作用在圆筒形或圆锥筒形塔架上的风绕塔架的流动可近似地看作为典型的圆柱体绕流问题同理,波浪载荷集度在x、y方向上的投影分别为式中,方向角β定义为波浪或流的前进方向与x轴所成的夹角。作用在塔架基础上的支座反力为:F2气动升力及阻力对于空气绕圆柱体的流动问题,国内外试验研究结果表明:随着Re的增加,流动从层流到湍流,不断出现旋涡脱落,按Re的范围,可大致把流动分为三个区域:3×10风绕流除引起定常阻力和升力(圆柱塔架对称,定常升力为零)外,还有脱涡和尾迹诱导的非定常升力和阻力。不同的流区,塔的受力情况也不相同。海上风场湍流强度小、具有稳定的主导风向,风速比沿岸陆上高约25%,在正常工作条件下,风绕塔架流动一般都在过临界状态下。此时,作用在塔架上的非定常升力与定常阻力具有相同的数量级,而非定常阻力小一个数量级。非定常载荷是周期性的,其频率通常以塔架直径和入流风速为参考,升力和阻力分别由式(3)、(4)计算式中,z为离海平面的高度;t为时间;p=ρ式中,气流速度v可以设跟高度成对数变化式中,v(z)为离地高度z处的平均风速;v(z以上升力和阻力分析问题归结为:决定对应雷诺数范围的定常阻力系数、振动升力和阻力系数、斯特劳哈尔数以及正则化功率谱密度。斯特劳哈尔数S定常阻力系数C振动升力系数C本文分析在过临界情况下:S3塔架的波浪理论应用作用在塔架结构上的波浪力主要有阻力和惯性力,阻力是由流体的粘性效应产生,一般假设它与水质点相对于塔架结构的速度的平方成正比;而惯性力与水和结构间的相对加速度成正比。由于近海风力机塔架的直径相对于海波波长来说较小,塔架的运动不致引起波浪形状的改变,一般采用MORISON于1950年提出的经验公式来进行使用MORISON公式求波力时,首先要确定波浪水质点速度和加速度。所以,首先要选择合适的波浪理论。由于不规则波浪影响塔架的动力响应,所以对动态塔架进行分析时应使用随机线性波浪模型,现在一般采用AIRY于1845年提出的线性波理论(AIRY理论)。此波浪理论基于流体力学中拉格朗日方法来描述的,即着眼于流体质点的运动。3.1流动是无粘、无旋的当波高h小于波长λ和水深d时,可以用线性波浪理论来求解波浪。线性波浪理论将非线性的波浪自由面条件,近似以线性的边界条件代替,同时假设流体是不可压缩的,流动是无粘、无旋的。考虑海波的传播方向不一定沿建立的Oxy坐标平面,且气动载荷与机械载荷为空间载荷,将平面线性波理论扩展为三维线性波。基于线性波理论,某一观测点的波动过程视为若干随机正弦波的叠加。在海平面的塔架坐标系下,设海波的传播方向与x轴成β角;记波浪水质点(x,y,z)的速度矢量为u浪高函数频散方程水质点x方向的速度水质点y方向的速度水质点z方向的加速度式(7)中的海平面波高函数η(x,y,t)由能谱密度S单个波的波幅为3.2谱密度函数s海波的随机特性是用随机的波高函数η(x,y,t)及其谱密度函数S式中,S由气流速度与高度的关系式(6)确定出19.5m处平均风速u3.3波浪力的估算根据MORISON公式,在深度z,水平波浪力由两部分构成:阻力和惯性力。惯性力由两部分组成:运动组分的水力质量(与水质点和塔架的相对加速度成正比)和加速运动流体作用在静止构件上的惯性力。设波传播方向与x成β角,那么作用在结构上的波浪载荷表达为(设D/λ<0.2)式中,c首先根据非规则波浪仿真式(9)~(14)求波浪质点的速度和加速度,然后根据MORISON方程式(20)近似计算波浪力。但是在波浪力作用位置(x,y,z)塔架的速度和加速度u4塔架结构动力学分析从波浪力计算到塔架在风波联合作用下的动力学响应分析,均须对塔架进行结构动力学分析。考虑到气动载荷与波浪载荷在时间分布和空间分布上的复杂性,采用有限元数值计算方法进行分析。离散时将塔架分成N个圆柱单元,圆柱的直径取单元中点直径式中,x51.5载荷、波浪、波谱分析及结构分析程序本文利用Matlab编写作用在塔架上的气动载荷、波浪载荷、波谱分析和结构分析程序。针对一台1.5MW海上风力机组塔架结构在气动和波浪载荷联合作用下的动力响应进行了分析。5.1塔架材料及密度支撑结构总体设计参数如下:支撑结构由沉箱和塔架构成,沉箱的外半径为3.8m、高为5m,塔架高度75m,塔架底部内外半径分别为3.0m和3.5m,顶部内外半径分别为2.1m和2.6m,材料为混凝土,弹性模量E=25GPa,泊松比为0.18,材料密度为2500kg/m5.2有关振动负荷的参数取风力机风轮轮毂处参考风速v(z5.3有关波负荷的参数定义海洋状态的模型如下:19.5m高度的平均风速为u5.4风荷载和波浪载荷的联合算例假设海洋充分生成,结构满足透射条件,塔架处于浅水区,风载荷和波浪载荷的联合由式(3)~(20)计算,计算的载荷与响应的时间历程为1h、分12次循环,每次5min。u6在非定常升力和阻力计算中的应用(1)海上风力机塔架外部载荷条件远较陆上风力机塔架复杂。在其动力响应的分析中,须考虑作用在风轮上的气动推力、风轮与机舱重力对塔架响应的影响;在雷诺数较高时还须考虑作用在塔架上的定常阻力、非定常升力和阻力。(2)非定常的升阻力随时间类似简谐变化,但其振幅和频率均随塔架各点的风速和横截面直径而变化。(3)在波浪载荷计算中,可用扩展的线性波理论来分析海洋状态和作用在塔架上的波浪载荷,其中波浪力可采用MORISON公式结合三维有限元结构分析进行,这样可分析