非線性規(guī)則波與隨機波沿多樁風(fēng)電基礎(chǔ)爬升以及對登陸平臺砰擊的數(shù)值模擬.pdf

1、隨著計算機的軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是芯片計算能力不斷提高、多核并行運算的實現(xiàn)、數(shù)據(jù)存儲力的擴展、數(shù)值算法的日臻完善，計算流體力學(xué)以其獨特的優(yōu)勢成為了與理論和實驗相媲美的又一種研究流體的方法。本研究正是利用計算流體力學(xué)工具在數(shù)值波浪水槽中，以海上風(fēng)電機典型的圓管單樁、單立柱三樁和五樁基礎(chǔ)為研究對象，對非線性規(guī)則波和隨機波浪下的水體爬升及爬升對維修工作平臺的砰擊作用進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　波浪爬升高度決定了工作平臺的設(shè)計凈空氣隙，也和

2、風(fēng)電機運行中發(fā)生偶遇砰擊時的瞬間沖擊載荷大小息息相關(guān)。因爬升過程的流體作用機理復(fù)雜，本文主要采用CFD數(shù)值模擬的途徑，結(jié)合與此前物理模型試驗的比較，在世界上率先對單立柱多樁基礎(chǔ)上的爬升和砰擊開展研究。和目前的許多線性規(guī)則波研究不同，本研究的重點是非線性規(guī)則波和隨機波浪。
　　首先，在Fluent軟件平臺上運用基于層流模型邊界造波法，通過給定造波邊界處流體的線性波水質(zhì)點速度和瞬時波面，實現(xiàn)了在數(shù)值波浪水槽中使用流體體積VOF法對線性

3、波的精確模擬，另外還將數(shù)值模擬與物理水槽造波試驗結(jié)果進(jìn)行對比確定出滿足精度要求的網(wǎng)格劃分方案。在此基礎(chǔ)上，以斯托克斯五階波浪、基于Jonswap譜的線性隨機波以及FFT復(fù)演方法得到的隨機波作為邊界輸入，實現(xiàn)了非線性規(guī)則波和隨機波的數(shù)值生成，并將數(shù)值結(jié)果與理論解進(jìn)行了對比，以確保后續(xù)仿真試驗的可行性與準(zhǔn)確性。對于非線性規(guī)則波，研究表明使用Fenton(1998)的Ursell=40判據(jù)對波浪進(jìn)行劃分和選擇模型是最為合理的，其左域為斯托克斯

4、波，其右域為橢圓余弦波。建議當(dāng)使用數(shù)值水槽進(jìn)行模擬時，如果波浪參數(shù)位于不同波浪理論的分界線附近而難以界定時，應(yīng)采用流函數(shù)計算出的水質(zhì)點速度與波面瞬時升高作為遠(yuǎn)場輸入。
　　其次，在建立起的數(shù)值波浪水槽中，以單立柱三樁和五樁以及圓管單樁基礎(chǔ)為研究對象，分別對兩個水深進(jìn)行了多個非線性規(guī)則波和隨機波工況下波浪爬升的數(shù)值模擬。將數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了數(shù)值模擬與試驗的良好吻合性。此外，還將單立柱三樁和圓管單樁基礎(chǔ)數(shù)值模擬結(jié)果

5、對比分析得到了不同基礎(chǔ)類型對波浪爬升的影響。在研究中，通過展現(xiàn)在柱面前后水體的流動、匯合、爬升的過程，詮釋了爬升分別在較深水和較淺水中的不同演化，也由此給出了波浪在多樁基礎(chǔ)上爬升與在最主流的圓管單樁爬升此二者的不同之處。通過CFD模擬的一個重要發(fā)現(xiàn)是繞圓樁的最小爬升發(fā)生在近柱后的145度，而非之前文獻(xiàn)中所載的135度，這為實際海上的維修船人員登陸風(fēng)電機以及爬梯的前期設(shè)計提供了很有意義的參考。隨機波的爬升系數(shù)m沿用了最大等效波法，雖然相應(yīng)

6、的假設(shè)其正確性有待于進(jìn)一步驗證。通過對m值的回歸分析，發(fā)現(xiàn)多樁基礎(chǔ)的m值，無論是在規(guī)則波還是隨機波中都和圓管單樁不同;三樁和五樁的規(guī)律也不同。水深、波陡等都是影響的因素。
　　最后，以單立柱三樁和五樁基礎(chǔ)為研究對象，進(jìn)行了非線性規(guī)則波和隨機波下波浪對風(fēng)機登陸平臺砰擊作用的數(shù)值模擬，并將數(shù)值模擬與模型試驗結(jié)果進(jìn)行比較與分析，證明在工程上采用CFD方法模擬砰擊現(xiàn)象可行，但數(shù)值模擬和物理試驗?zāi)M的吻合度不盡理想，砰擊系數(shù)Cs在數(shù)值模擬下