强非线性波作用下大型海上单桩风机的水动力性能研究

发布时间：2025-07-07 05:15

　　随着海上风电技术的不断发展,海上风机单桩基础的应用前景越来越广泛。然而与此同时,风机的单机容量及基础直径也在不断增大,大直径风机基础所受到的非线性波浪荷载对系统结构安全的影响不容忽视;另一方面,近海畸形波、陡波等产生的强非线性载荷对大直径单桩基础及整机系统的作用也是工程设计所关心的重要问题。因此本课题基于CFD方法针对10 MW大型海上风机及我国复杂的东部海域海况,深入开展强非线性波对大直径海上风机单桩基础的作用,以期对风机系统的结构安全和长时间稳定运行提供一定的参考。本文首先建立数值波浪水槽,通过加载造波程序及消波程序,进而实现Stokes五阶波的生成。在综合考虑计算时间和计算精度后,确定一个合适的、统一的网格划分方案。另外,本文选择与OC5单桩风机模型试验的数据进行对比,进而验证该数值水槽用于研究单桩基础的水动力荷载问题的合理性与准确性。其次,进行Stokes五阶波对10 MW单桩基础作用的研究。详细讨论不同波陡参数kA、不同水深参数kd对单桩基础周围的涌高、压力以及水平方向所受的波浪力的影响;将CFD计算得到波浪荷载与Morison方程及基于高阶边界元法的势流理论得到的结果进行对比...

【文章页数】：111 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 海上风机的发展
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 海上风机的数值模拟研究
        1.3.2 非线性波的数值模拟研究
    1.4 本文研究内容与方法
2 数值波浪水池模拟研究
    2.1 理论基础
        2.1.1 控制方程
        2.1.2 波浪的数值模拟方法
        2.1.3 相似准则
    2.2 波浪理论
        2.2.1 基本方程及边界条件
        2.2.2 线性波理论
        2.2.3 Stokes五阶波理论
    2.3 数值波浪水槽的建立
        2.3.1 模型参数设置
        2.3.2 网格划分方法
    2.4 结论
3 Stokes五阶波对海上风机单桩基础的作用
    3.1 数值模拟可行性验证
    3.2 计算模型
    3.3 波陡参数的影响
        3.3.1 单桩基础周围涌高与波陡参数关系分析
        3.3.2 单桩基础周围压力与波陡参数关系分析
        3.3.3 单桩基础所受正向波浪总力与波陡参数关系分析
    3.4 水深参数的影响
        3.4.1 单桩基础周围涌高与水深参数关系分析
        3.4.2 单桩基础周围压力与水深参数关系分析
        3.4.3 单桩基础所受正向波浪总力与水深参数关系分析
    3.5 不同破冰锥结构形式的水动力荷载对比分析
    3.6 结论
4 破碎波对海上风机单桩基础的作用
    4.1 破碎波理论
    4.2 计算模型
    4.3 崩破波对单桩风机基础的作用
        4.3.1 破碎参数0x =0.402 下波浪荷载分析
        4.3.2 破碎参数ξ₀=0.178 下波浪荷载分析
    4.4 卷破波对单桩风机基础的作用
        4.4.1 破碎参数ξ₀=1.000 下波浪荷载分析
        4.4.2 破碎参数ξ₀=0.594 下波浪荷载分析
        4.4.3 破碎形式由卷破波到崩破波的转变分析
    4.5 结论
5 畸形波对海上风机单桩基础的作用
    5.1 畸形波理论
        5.1.1 畸形波的定义
        5.1.2 畸形波的形成机理
    5.2 畸形波的数值模拟
    5.3 畸形波作用下10 MW单桩基础的受力研究
    5.4 结论
结论
参考文献
附录A Stokes五阶波的有关公式
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢



本文编号：4056557