01 研究背景

風(fēng)電作為一種可再生能源，一直被視為緩解化石能源短缺的有效方法。其中海上風(fēng)電與陸上風(fēng)電廠相比，具有不占用土地資源，基本不受地形地貌影響，風(fēng)速更高，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量更大，年利用小時(shí)數(shù)更高等優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要是重力式基礎(chǔ)(Gravity-Based Structure, GBS)或單根鋼管柱基礎(chǔ)，即使用混凝土基底或插入海床中的結(jié)構(gòu)抵抗可能的滑移，如下圖(左)所示。

這兩種結(jié)構(gòu)受海底深度以及海床結(jié)構(gòu)影響較大，一定程度上限制了這兩種結(jié)構(gòu)的廣泛運(yùn)用。然而隨著全球能源需求增大，若要安裝更多的海上風(fēng)機(jī)，必然要向更遠(yuǎn)更深的海域發(fā)展。此時(shí)漂浮式海上風(fēng)機(jī)(上圖右)運(yùn)用更為廣泛，可用于50m以上的深度。但由于漂浮式風(fēng)機(jī)承受荷載的特殊性、工作狀態(tài)的復(fù)雜性、投資回報(bào)效率等原因，這種基礎(chǔ)形式目前仍需要大量的研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文主要介紹了使用code_aster對(duì)重力式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和漂浮式風(fēng)機(jī)的數(shù)值建模和模擬案例。

02 重力式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)

對(duì)重力式風(fēng)機(jī)水下部分建模、簡(jiǎn)化并劃分網(wǎng)格，如下圖所示。

對(duì)于該結(jié)構(gòu)需要考慮的載荷是海床與混凝土結(jié)構(gòu)的相互作用以及該結(jié)構(gòu)在水下受到的水壓。其中，海床與結(jié)構(gòu)的相互作用以振動(dòng)的形式施加載荷，code_aster中的振動(dòng)模型如下圖所示。

選取了海上電機(jī)在幾種典型的振動(dòng)頻率[1]下是否考慮海床-結(jié)構(gòu)相互作用的差異，如下圖所示。

此外，對(duì)于水下部分受到的壓強(qiáng)可以分為上下兩個(gè)部分，即上部水壓以及底部海底泥沙的壓強(qiáng)，如下圖所示。

上部分水壓根據(jù)浪波長(zhǎng)以及深度計(jì)算：

而泥沙部分的壓強(qiáng)則等效成關(guān)于時(shí)間和位置的函數(shù)，如下圖所示：

03 重力式風(fēng)機(jī) - 模擬結(jié)果

模擬總共選取了2種不同深度(27m,42m)，12種底部滲透率和9種浪的周期(4~20s)，共216組。

力矩(左)和力(右)隨時(shí)間的變化：

不同滲透率下受力隨波浪周期的變化：

不同波浪波長(zhǎng)下水下中心部分截面的壓強(qiáng)分布：

04 漂浮式基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)

漂浮式風(fēng)機(jī)，顧名思義即沒(méi)有固定的基座直接漂浮在海上，可能受到風(fēng)，海浪或洋流影響而移動(dòng)。漂浮式風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵部分是三根鋼錨索，長(zhǎng)度在400~1000m不等，以及一根海底電纜用作電力輸出。不斷變化的拉力和深海工作環(huán)境導(dǎo)致錨索經(jīng)常出現(xiàn)磨損。因此本研究運(yùn)用code_aster對(duì)三根鋼錨索的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬。

參考實(shí)驗(yàn)選取了DeepCWind集團(tuán)的基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，即1/50尺寸5MW風(fēng)機(jī)在海上的運(yùn)動(dòng)和受力研究，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿缦聢D所示。

數(shù)值建模部分只考慮了漂浮臺(tái)部分，漂浮于200m水深的海面；鋼錨索線密度約為125kg/m，可受最大拉力約為100t。數(shù)值模型如下圖所示，其中海浪所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)載荷可用Python語(yǔ)句輸入。

05 漂浮式風(fēng)機(jī) - 模擬結(jié)果

由上圖可知，code_aster的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合程度很好，證明code_aster可以很好地模擬海上風(fēng)機(jī)在動(dòng)態(tài)載荷下的受力情況。

此外，本研究只考慮的漂浮式風(fēng)機(jī)的漂浮臺(tái)部分，暫未考慮水上的風(fēng)機(jī)和葉片部分，在以后的研究中可以進(jìn)一步優(yōu)化該模型。

07 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)兩種海上風(fēng)機(jī)的數(shù)值建模和模擬，可以證明code_aster能在海上風(fēng)電項(xiàng)目中對(duì)風(fēng)機(jī)在動(dòng)態(tài)載荷(海浪，海底泥沙的作用……)下的受力情況進(jìn)行精細(xì)的模擬，且模擬結(jié)果有助于優(yōu)化風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高風(fēng)機(jī)使用壽命。

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