三樁基礎海上風電機組結構波浪載荷實驗研究

施勇 姜貞強 任年鑫 王濱

隨著環(huán)境惡化問題和能源短缺問題日趨嚴重，世界各國都在積極尋求構建一種清潔、安全、可靠的可再生能源系統(tǒng)。在眾多新能源中，風電技術較為成熟，具有大規(guī)模開發(fā)前景。特別是海上風電開發(fā)，以節(jié)約寶貴土地資源、風力更穩(wěn)定、風電機組單機容量更大、年有效利用小時數(shù)更高、受噪音標準限制更小、運輸條件更為便利等優(yōu)勢，已成為全球風電產業(yè)發(fā)展的重要方向。

目前世界范圍內的海上風電場主要集中在近海淺水區(qū)域，主要采用固定式基礎支撐結構，如單樁、三樁、重力式、導管架式等。其中，三樁基礎在我國東部近海風電場建設中有著廣泛的應用。不同于陸上風電結構，除了上部風電機組葉片及塔架風載荷，近海風電結構還要考慮波浪載荷對其動力響應的重要影響。

各國學者通過理論分析和數(shù)值仿真對海上風電機組結構波浪載荷進行了研究，主要是采用Morison及其修正公式、勢流理論和計算流體動力學（CFD）等方法求解海上風電機組結構的波浪荷載、動力響應特征以及樁土耦合效應等：部分學者也通過物理模型實驗驗證了浮式風電機組結構水動力荷載特征數(shù)值計算結果的有效性，但鮮見針對三樁基礎的海上風電機組結構系統(tǒng)波浪荷載的物理模型實驗研究。

本文主要基于物理模型實驗方法，重點研究三樁基礎近海風電機組結構的波浪載荷特征。結合某實際工程4MW三樁基礎海上風電機組模型，構建三樁基礎風電機組結構的縮尺物理模型實驗測試系統(tǒng)，重點研究典型規(guī)則波浪、不同波浪入射方向和隨機波浪海況下該結構系統(tǒng)的水動力響應特征。實驗模型

該模型實驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室進行。波浪水池的主要尺寸為40m×8m×1m，最大工作水深為0.6m：自制推板式低、高頻（長、短周期）復合波造波機，最大波高為0.25m;實驗采用微機控制及同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。基于弗洛德數(shù)相似準則，三樁基礎海上風電機組1：50縮尺物理實驗模型如圖1所示。此外，在三樁基礎底部對稱布置4個高精度防水型測力天平（協(xié)調受力），測試海上風電機組基礎結構3個平動方向的力和3個轉動方向的彎矩，傳感器采樣頻率為100Hz，并在實驗前進行了校核標定。

水動力數(shù)值模型

基于勢流理論，利用廣泛應用于波浪力載荷計算的AQWA軟件構建三樁基礎支撐結構的水動力數(shù)值模型，如圖2所示。

結果分析

重點考慮最不利波浪載荷工況，即極端高水位情況，此時水深10.0m。為了使實驗結果更好地指導實際工程設計，現(xiàn)將所有實驗數(shù)據(jù)依據(jù)縮尺關系（λ=1/50）放大到全尺寸模型。

一、典型規(guī)則波浪工況

首先，對該三樁基礎風電機組模型進行典型規(guī)則波浪工況的測試，考慮不同周期波浪的影響（波高均為2m），并將主要實驗結果與對應數(shù)值結果進行對比分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出，三樁基礎風電機組的基底水平力和基底彎矩響應幅值隨著波浪周期的增加而減小，實驗測試結果與數(shù)值模擬結果有著很好的一致性。基底水平力和基底彎矩的實驗測試結果小于數(shù)值模擬結果約5%～7%，即數(shù)值模擬結果過高地估計了三樁基礎的動力響應幅值（主要是因為數(shù)值模型沒有考慮波浪粘性阻尼的影響）。可見，基于數(shù)值模擬結果的工程設計是偏于安全的。

此外，進一步研究不同波高對三樁基礎風電機組主要動力響應幅值的影響規(guī)律，并將主要實驗結果與對應數(shù)值結果進行對比分析，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，三樁基礎風電機組的基底水平力和基底彎矩響應幅值隨著波浪波高的增加而呈現(xiàn)近似線性的增加，實驗測試結果與數(shù)值模擬結果有著很好的一致性。與不同波浪周期工況下測試結果與數(shù)值結果的對比情況相似，基底水平力和基底彎矩的實驗測試結果小于數(shù)值結果約5%～8%，即數(shù)值模擬結果仍較高地估計了三樁基礎的動力響應幅值。

此外，進一步研究不同波浪入射角度對三樁基礎風電機組結構動力響應特征的影響（H=2m，T=7s），鑒于該模型為120°對稱結構，因此選取代表性波浪入射角度分別為：0°、30°、45°、60°，波浪入射與三樁基礎所成角度示意圖如圖5所示。不同波浪入射角度下三樁基礎主要動力響應幅值如表1所示。從表1可以看出，隨著波浪入射角從0°向60°增加，基底水平力和基底彎矩的響應幅值逐漸下降，即波浪0°入射角為最不利波浪載荷角度。因此，依照結構安全設計的基本原則，接下來模型實驗的波浪入射角度統(tǒng)一選擇0°。

二、典型隨機波浪工況

鑒于實際海況的復雜性，進一步研究典型隨機海況下三樁基礎海上風電機組結構的動力響應特征。選取JonswaD譜對不規(guī)則波浪的統(tǒng)計信息進行描述（y=3.3），參考的典型工況（0°入射波浪）如下：

case 1：Hs=2m，Tp=7s，Jonsw印譜（風電機組一般運行海況）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，Jonswap譜（風電機組最大運行海況）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，Jonswap譜（極端海況）

重點研究上述三種代表性不規(guī)則波浪海況下基底水平力和基底彎矩的響應特征，結果如圖6所示。從圖6可以看出，隨著三種代表性海況波高的增大，其主要動力響應幅值及波動情況也顯著增加，具體相關統(tǒng)計結果如表2所示。該結果對于三樁基礎海上風電機組結構的極限結構承載能力設計和疲勞性能分析都有著積極的參考價值。

此外，進一步研究代表性PM（Pierson-Moscowitz）譜工況下三樁基礎海上風電機組的動力響應特征，所選取的有義波高和譜峰周期與Jonswap譜一致，具體波浪工況（0°入射波浪）如下：

Case 1：Hs=2m，Tp=7s，PM譜（風電機組一般運行海況）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，PM譜（風電機組最大運行海況）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，PM譜（極端運行海況）

重點研究上述三種代表性不規(guī)則波浪海況下基底水平力和基底彎矩響應特征，結果如圖7所示。從圖7可以看出，與Jonswap譜相似，隨著三種代表性海況波高的增大，其主要動力響應幅值及波動情況也有所增加，具體相關統(tǒng)計結果如表3所示。從表3與表2對比分析結果（表4）可以看出，PM譜下的基底水平力和基底彎矩的動力響應最大值及標準差顯著小于Jonswap譜下的對應結果，其中，前者的動力響應最大值約為后者的90%：前者的標準差約為后者的70%～90%。由此可知，三樁基礎動力響應的最大值對波譜類型較為不敏感，而三樁基礎的疲勞性能受波譜類型的影響較大。

結論

通過構建某4MW三樁基礎海上風電機組結構的縮尺實驗模型，較為系統(tǒng)地測試研究了典型規(guī)則波浪、不同波浪入射方向和隨機波浪下三樁基礎結構的水動力載荷特征。對比數(shù)值模擬結果與實驗結果可知，數(shù)值模擬結果略大于實驗結果（約5%～10%），三樁基礎在0°入射波浪方向上的載荷最大，即最為不利。此外，三樁基礎動力響應的最大值對波譜類型較為不敏感，而三樁基礎的疲勞性能受波譜類型的影響較大（約70%～90%）。