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张力腿漂浮式海上风机结构的涡激振动特征及强度研究

陈辉志  
【摘要】:随着风能在能源中的占比越来越高并且深海的风速更加稳定,海上风力发电也从浅海发展到了深海,海上风机的基础形式也从固定式发展到了漂浮式,其中造价低、整体性能好的张力腿基础的张力腿长度越来越长,长径比越来越大,结构刚度越来越小。因此在众多荷载因素中,洋流诱导的涡激振动响应占主导地位。对于张力腿会引发强度破坏、疲劳损伤和应力集中等问题,不仅会造成张力腿基础的倾覆,还会减小张力腿的使用寿命。本文在计算流体力学的理论基础上,使用ANSYS CFX软件,采用SST k-w湍流模型进行二维和三维漂浮式海上风机张力腿涡激振动数值模拟。在三维张力腿的涡激振动数值模拟时,采用双向流固耦合求解流体域和固体域。本文首先模拟二维张力腿涡激振动,模拟了Re=200和3900时的卡门涡街以及升力系数、阻力系数,并与相关的实验数据、理论曲线进行对比,验证网格划分、尺寸精度、方法和边界条件设置的准确性,接着模拟了实尺度二维张力腿涡激振动。接下来通过对经典实验的工况进行数值模拟,将所得结果与实验结果进行对比分析数值模拟方法的可靠性,再通过对五组工况下张力腿的涡激振动特征和强度进行研究,我们发现因为张力腿涡激振动的三维特性,三维张力腿的振荡与二维张力腿的涡激振动相比是变幅度的正弦振荡;随着洋流速度的增大,我们发现产生稳定的涡激振动需要的时间呈现递减的规律,阻力系数会产生二次增长。最后分析洋流的形式、边界约束条件、预张力的大小对张力腿涡激振动特性的影响,使数值模拟的条件更接近实际工程条件,为实际工程提供指导。在实际工程中,预张力发生损失后在一定程度减缓了张力腿的应力集中现象,但张力腿振荡横向和纵向位移增大。剪切流工况下,研究发现横向位移振荡趋势和振幅随时间的变化趋势,Z/L=0.75附近区域是张力腿位移和应力最大的部位。弹性约束条件下,张力腿的顶部受到的约束小于铰接约束,从而减缓了顶部的应力集中,但是底部的应力却随之增大,而且阻力系数、升力系数、横向振荡位移分别增长5%、79%、300%,这是由于平台的轻微运动对张力腿的振荡起到放大的作用。整体而言,实际工程中的张力腿受到的疲劳损伤和强度破坏强于数值模拟的理论研究,所以在风机的设计跟使用过程中应予以考虑,同时应加强张力腿顶部的约束作用。


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