海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法

技术领域

本发明涉及海啸冲击作用下重力式基础研究领域，特别是海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法。

背景技术

海上风能具有可再生、环保等优点，近年来受到越来越多的关注，近海风力机普遍采用固定式基础，常见的类型有单桩和重力式基础，风力机重力式基础具有结构简单、造价低且不受海床影响、稳定性好的优势，风力机在近海海域中运行时，经常遭受各种极端海洋灾害的影响，尤其是海啸灾害，作为一种具有突发性和强大破坏力的海洋灾害，海啸波到达近岸时，水深变浅，波高会迅速增加，给近岸工程结构带来巨大的冲击作用，现有的评估方法在海啸数值模拟方面，仅针对下游初始有水(水深固定)或初始无水的一种情况；在海啸物理模拟方面，物理波浪水池的尺寸几乎均不具备模拟海啸级别的大尺度海洋波浪动力行为，缩尺的物理水池还存在阻塞率限制，被测物体的尺寸普遍很小，无非反应足够的细节特征；在设计规范方面，当前近海风力机固定式基础的设计依据的相关规范、标准，均无法提供评估海啸对基础荷载效应的计算方法。

因此，提出的一种海啸冲击作用下近岸风力机重力式基础的荷载效应的评估方法对于科学评估和设计计算近岸风力机运行的可靠性具有一定参考价值。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明所要解决的技术问题是现有的评估方法在海啸数值模拟方面，仅针对下游初始有水(水深固定)或初始无水的一种情况、物理波浪水池的尺寸几乎均不具备模拟海啸级别的大尺度海洋波浪动力行为，无法反应足够的细节特征、当前近海风力机固定式基础的设计依据的相关规范、标准，均无法提供评估海啸对基础荷载效应的计算方法等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法，其包括以下步骤：

建立海啸数值水槽的模型并验证；

验证海啸数值水槽的网格划分；

验证海啸数值水槽的计算设置；

验证结果分析；

建立海啸冲击重力式风机基础模型；

海啸模型的设计；

网格划分和计算设置；

海啸风力机重力式基础分析量的定义；

提取计算结果并将结果可视化；

所述评估步骤采用的原理方法是溃坝波产生海啸波，溃坝波的质量守恒方程和动量方程分别为：

符号U

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：3.所述海啸数值水槽的网格划分时，将整个数值水槽分为核心区和非核心区，均采用六面体结构化网格划分，在模型近壁面区域进行加密；

网格划分的步骤如下：

使用ICEM的自动体网格划分功能，设置全局的基本网格尺寸；

划分block，将圆形柱部分的block设置点关联并进行O形网格划分，并关联线，对圆柱周围区域进行加密，得到质量较好的非结构化网格；

y

根据网格质量和数量不断调整网格，划分出三种尺寸的网格对网格无关性进行验证，即粗糙、基本和精细三种网格方案。

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述验证海啸数值水槽的计算设置时，将验证数值试验水槽的底部、前后壁面、左右壁面设置为固定壁面边界条件，试验水槽的顶部设置为压力出口，允许空气进出水槽，且圆形柱的边界也设置为固定壁面，压力和速度场的耦合方式采用SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风格式，对应计算参数采用默认值。

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述验证结果分析时，数值模拟与实验的液面高度、监测点的流速时程和圆形柱的水平压力进行分析，与粗糙网格方案进行对比，得出后续计算采用基本网格方案。

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述建立海啸冲击重力式风机基础模型时，数值水槽采用缩尺模型，长度缩尺比例为1/80，考虑水槽的阻水作用，采用的数值水槽宽度w

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述海啸模型的设计时，海啸的速度和波高是定量计算海啸破坏力、结构抗海啸设计的重要参数，数值模拟的波高、速度根据实际海啸的波高和波速换算求得；

推算给定波高波速的涌波所需的蓄水深度与初始水深，并设计三种级别的海啸：大海啸、中海啸、小海啸。在数值水槽中，根据初始的蓄水深度与初始水深进行海啸模拟，监测监测点处波高和波速，并将数值模拟得到的监测值与Stoker理论结果进行对比验证。

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：8.所述网格划分和计算设置时，核心区采用O形网格切分，对基础周围区域进行加密，非核心区网格仍采用基本网格方案；

将数值水槽的底部、前后壁面、左右壁面和风力机重力式基础的边界均设置为固定壁面边界条件，水槽的顶部设置为压力出口，允许空气进出水槽，压力和速度场的耦合方式采用SIMPLE算法，离散格式采用二阶迎风格式。

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述海啸风力机重力式基础分析量的定义为：冲击力、表面压强、基底力矩；其中，

冲击力：

在Fluent监测基础表面压力，计算重力式基础在受到三种级别海啸冲击时所承受的x，y和z方向的压力：

F

F

F

式中：F

表面压强：

以标准大气压为参考压强，静压强SP，动压强DP和总压强TP的定义如下：

SP＝ρgh+P0

DP＝0.5ρv

TP＝SP+DP

式中：ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水深，P0为标准大气压，v为水的流速。

基底力矩：

选定基础底面的圆心为力矩中心点，定义基底弯矩M

M

M

M

式中：f

作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述计算结果的提取和可视化分为三部分：海啸冲击过程、冲击力、表面压强、冲击力矩。

本发明的有益效果：依据Stoker理论设计不同大小的波高和波速的海啸，并将数值模拟的得到的波高、波速与Stoker理论结果进行对比，研究了重力式风机基础受到海啸冲击时压力最大的位置，采用三维数值模型研究重力式风机基础底部3个方向上的力矩变化特性；

创建了特定数值水槽模型，以验证采用溃坝波模拟海啸波的有效性和可重复性；

提供了对海啸冲击过程、基础表面压强、基础受到的冲击力和力矩进行分析方法；

数值水槽的网格少、方便修改水槽参数、计算效率高，且与全尺寸的数值水槽的物理量有对应的缩尺关系，模拟海啸的方式与传统的溃坝试验相同，因此较容易实现试验结果与数值模拟的匹配验证。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：

图1为本发明的三维数值模型示意图。

图2为本发明的数值水槽几何模型。

图3为本发明的网格划分示意图。

图4a、4b、4c为本发明的圆形柱前的监测点p

图5a、5b为本发明的基础和数值水槽示意图。

图6为本发明的数值水槽几何模型。

图7为本发明的计算网格示意图。

图8为本发明的海啸冲击重力式基础的快照.

图9为本发明的冲击力时程曲线。

图10为本发明的重力式基础受到的压强。

图11为本发明的z＝0截面静压强的云图。

图12为本发明的z＝0截面动压强的云图。

图13为本发明的z＝0截面总压强的云图。

图14为本发明的冲击力矩时程曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。

实施例1

参照图1、图2，为本发明第一个实施例，该实施例提供了海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载的一种优选方案效应的评估方法，包括：

建立海啸数值水槽的模型并验证；

验证海啸数值水槽的网格划分；

验证海啸数值水槽的计算设置；

验证结果分析；

建立海啸冲击重力式风机基础模型；

海啸模型的设计；

网格划分和计算设置；

海啸风力机重力式基础分析量的定义；

提取计算结果并将结果可视化；

评估步骤采用的原理方法是溃坝波产生海啸波，溃坝波的质量守恒方程和动量方程分别为：

符号U

综上，按照国际海啸分级标准，提供大、中、小各种具体级别的海啸冲击作用于某型近岸风力机重力式基础的全过程的荷载效应评估方法。

首先根据实际目标体和要求，创建海啸数值水槽，水槽的下游初始水深是基于基础所在水深而设置的，基础在受到海啸冲击前是受到一定的静水压力，这与实际相符合。数值水槽的宽度大于水槽中结构物在水槽宽度平面上投影长度的7.5倍以上，可忽略阻塞率的影响；创建特定数值水槽模型，以验证采用溃坝波模拟海啸波的有效性和可重复性；提供对海啸冲击过程、基础表面压强、基础受到的冲击力和力矩进行详细的分析的具体方法；所提供的方法中，数值水槽的网格少、方便修改水槽参数、计算效率高，且与全尺寸的数值水槽的物理量有对应的缩尺关系。该方法模拟海啸的方式与传统的溃坝试验相同，因此较容易实现试验结果与数值模拟的匹配验证。

实施例2

参照图1～图10，为本发明第二个实施例，该实施例基于上一个实施例。

建立海啸数值水槽的模型时，采用Arnason的物理实验的水槽尺寸，数值试验水槽长16.6m、宽0.6m、深0.45m，几何模型示意图如图1所示，圆形柱直径为140mm，圆形柱前端位于x＝11.1m处，闸门位于x＝5.9m，闸门上游蓄水量h

确定验证水槽的布置后，使用Design Modeler建立数值水槽的几何模型，计算域尺寸X×Y×Z＝16.60m×0.60m×0.45m，X轴正方向为来流方向，几何模型如图2所示。

进一步的，海啸数值水槽的网格划分时，由于圆柱基础的存在，使六面体网格划分相对困难。圆柱周围流场变化情况复杂，需要划分相对精细的网格，需要对其周围网格进行加密，整体网格数量巨大，而计算域的其他区域流场变化相对较小，应当适当减少网格数量，基于以上情况，将整个数值水槽分为两核心区和非核心区，均采用六面体结构化网格划分，在模型近壁面区域进行加密；

网格划分的步骤如下：

使用ICEM的自动体网格划分功能，设置全局的基本网格尺寸；

划分block，将圆形柱部分的block设置点关联并进行O形网格划分，并关联线，对圆柱周围区域进行加密，得到质量较好的非结构化网格；

y

根据网格质量和数量不断调整网格，划分出三种尺寸的网格对网格无关性进行验证，即粗糙、基本和精细三种网格方案,图3分别展示了基本网格方案下y＝0截面圆形柱周围网格，整体计算域网格和圆形柱周围的放大后网格。

验证海啸数值水槽的计算设置时，将验证数值试验水槽的底部、前后壁面、左右壁面设置为固定壁面边界条件，试验水槽的顶部设置为压力出口，允许空气进出水槽，且圆形柱的边界也设置为固定壁面，水和空气的密度分别为998.2kg/m

采用的ANSYS-Fluent商用计算平台中，采用耦合隐式求解器的情况下，用库朗特数(Courant-Friedrichs-Lewy，简称CFL)来估计时间步长的取值。其具体定义如下：

CFL＝U

式中：CFL——库朗特数，不大于5；

U

Δx

按照上式估算模拟时间步长的取值，计算时间步长为5×10

进一步的，验证结果分析时，数值模拟与实验的液面高度、监测点的流速时程和圆形柱的水平压力进行分析，对比分别如图4a、4b、4c所示。

与粗糙网格方案进行对比，基本网格和精细网格方案的精度几乎相同，且与实验的匹配度更好，然而，基本网格方案大多接近实验曲线的平均位置，粗糙网格方案显示溃坝波到达圆形柱的时间比实验稍早，综合考虑计算精度和时间成本得出后续计算采用基本网格方案。

进一步的，建立海啸冲击重力式风机基础模型时，以某3MW风力机型号重力式基础为例，基础的上、下底面直径分别为7m和10m，基础上、下两部分高度分别为10m和5m，总高度为15m，基础所在水深为5～10m，基础的示意图如图5a所示。数值水槽采用缩尺模型，长度缩尺比例为1/80，考虑水槽的阻水作用，采用的数值水槽宽度w

确定模型的几何尺寸和在基础在水槽中的位置后，建立海啸冲击风力机重力式基础的数值模型，如图6所示。

海啸模型的设计时，应当注意，海啸的速度和波高是定量计算海啸破坏力、结构抗海啸设计的重要参数，数值模拟的波高、速度根据实际海啸的波高和波速换算求得，一般沿海海啸传播速度介于3～10m/s之间，波高为0～10m，部分地区如岛屿、入海口等地区最大流速可达到10～20m/s。

推算给定波高波速的涌波所需的蓄水深度与初始水深，并设计三种级别的海啸：大海啸、中海啸、小海啸，其中大海啸(波高h

海啸分级及数值模拟与Stoker理论的对比

对比结果显示，波高和波速的相对误差均在10％以内，大部分误差小于5％，这说明数值水槽监测点位置的波高和波速与理论结果十分接近，设计的数值水槽能够较好地模拟实际海啸，故采用此海啸分级。

进一步的，网格划分和计算设置时，核心区采用O形网格切分，对基础周围区域进行加密，非核心区网格仍采用基本网格方案，最大网格尺寸为0.05m。y

将数值水槽的底部、前后壁面、左右壁面和风力机重力式基础的边界均设置为固定壁面边界条件，水槽的顶部设置为压力出口，允许空气进出水槽，水和空气的密度分别为998.2kg/m

按照数据统计的要求，计算总时长为10s，根据公式得到的计算时间步长为1.0×10

海啸风力机重力式基础分析量的定义为：冲击力、表面压强、基底力矩；其中，

冲击力：

在Fluent监测基础表面压力，计算重力式基础在受到三种级别海啸冲击时所承受的x，y和z方向的压力：

F

F

F

式中：F

表面压强：

以标准大气压为参考压强，静压强SP，动压强DP和总压强TP的定义如下：

SP＝ρgh+P0

DP＝0.5ρv

TP＝SP+DP

式中：ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水深，P0为标准大气压，v为水的流速。

基底力矩：

选定基础底面的圆心为力矩中心点，定义基底弯矩M

M

M

M

式中：f

实施例3

参照图8～图11，为本发明第三个实施例，该实施例基于上一个实施例。

计算结果的提取和可视化分为：海啸冲击过程、冲击力、表面压强、冲击力矩。

利用CFD通用后处理可视化软件Tecplot 360 EX可对结果进行后处理，以中等海啸的工况为代表，研究了海啸冲击风力机重力式基础的过程，图8展示了这一过程中特定时刻海啸冲击基础的快照。

海啸冲击过程

海啸波未到达基础如图8中a所示，海啸波到达基础，并冲击基础的前端如图8中b，图8中c和图8中d所示，图8中e显示海啸波绕过基础并在基础后端形成漩涡，图8中f显示基础完全被淹没，基础周围流场达到相对稳定。

b冲击力

在Fluent中监测并输出每个时间步的按照公式定义的冲击力，得到各自的压力时程曲线，x，y和z坐标轴的正方向为压力的正方向，具体如图9所示。

c表面压强

在Fluent中监测并输出每个时间步的按照公式定义的表面压强，得到静压强，动压强和总压强的时程曲线如图10所示。

为更加详细地研究表面压强的变化特征，同样，以中等海啸为例，分析海啸冲击过程中表面压强的变化。利用CFD通用后处理可视化软件Tecplot 360EX可对结果进行后处理，提取了计算域中z＝0剖面的压强云图分别图11，图12和图13所示。

d冲击力矩

由式定义，数值模拟过程中可记录下需要分析的基底弯矩M

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。