海上风电支撑结构波浪力及基础冲刷的三维数值模拟研究

【摘要】：近年来,许多国家都开始重视风电的开发和利用,海上风力资源约为陆地上的3～5倍,大规模发展海上风电已成为未来电力发展的必然趋势。复杂的海洋环境会影响到海上风电结构的稳定性,其中水流荷载、波浪荷载起着主要作用。波浪荷载直接作用在海上风机基础结构上,同时,基础周围的冲刷也会导致海床对风机结构的持力作用降低,严重威胁风机基础的稳定性。本文基于Flow3D软件建立了三维数值水池,模拟了波浪作用下海上风机基础受力和水流作用下风机基础周围冲刷,对海上风机基础稳定性进行了研究。本文的主要内容和结论如下: (1)基于计算流体动力学软件Flow3D,建立了模拟波浪、水流与建筑物、海床之间相互作用的三维数值水池,模型采用VOF法进行自由表面追踪,RNG k ?ε模型模拟紊流,空间变步长结构结合出流边界进行消波处理。计算表明,模型能有效减小出流边界的波浪反射,准确模拟三维波浪传播。 (2)模拟了极端波浪荷载工况下,风电单桩基础和筒型基础两种结构所受的波浪力。波高初始值为该水深处的极限波高,模拟过程中考虑了波浪浅水变形影响,增大水深的同时模型中加入了斜坡,使波浪到达建筑物附近时达到需要的波高值,实现了对作用在建筑物上波浪力的准确模拟。 (3)基于Flow3D软件,建立了水流作用下结构物周围冲刷的三维数值模型。首先与文献中冲刷物理模型试验结果进行比较,结果表明:建立的三维数值模型能够准确地计算出建筑物附近冲刷坑的深度,能较好地模拟出建筑物附近冲刷过程中床面的变化情况。并将所建模型应用于水流作用下海上风机基础周围冲刷过程的模拟,计算结果可以为风电基础结构基础的优化设计提供一定的参考依据。 【关键词】：Flow3D 海上风机基础 空间变步长消波 波浪力 冲刷
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TV139.2
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-7
• 第一章 绪论7-15
• 1.1 研究背景与目的7-8
• 1.2 相关研究进展8-11
• 1.3 常用的CFD商用软件介绍11-13
• 1.4 本文的主要工作13-15
• 第二章 数值模型理论基础15-19
• 2.1 Flow3D软件介绍15
• 2.2 控制方程及其离散求解15-16
• 2.3 边界条件和初始条件16-17
• 2.4 冲刷沉积模型介绍17-18
• 2.5 本章小结18-19
• 第三章 数值波浪水槽和水池中的空间变步长消波19-31
• 3.1 差商逼近微商的近似性质19-20
• 3.2 影响空间变步长消波性能的参数分析20-29
• 3.3 空间变步长消波方式的优缺点29-30
• 3.4 本章小结30-31
• 第四章 波浪与海上风机基础相互作用的三维数值模拟31-56
• 4.1 海洋水文资料31-32
• 4.2 海上风机基础结构介绍32-35
• 4.3 结构设计中波浪力的计算方法35-37
• 4.4 破碎波浪力的数值模拟及验证37-39
• 4.5 单桩基础波浪力的数值模拟39-48
• 4.6 筒型基础波浪力的数值模拟48-55
• 4.7 本章小结55-56
• 第五章 水流作用下风机基础周围冲刷的三维数值模拟56-70
• 5.1 水流的模拟及验证56-58
• 5.2 冲刷模型的设定与验证58-62
• 5.3 单桩基础周围冲刷的数值模拟62-65
• 5.4 筒型基础周围冲刷的数值模拟65-69
• 5.5 本章小结69-70
• 第六章 结论与展望70-72
• 6.1 主要研究成果70
• 6.2 对未来的展望70-72
• 参考文献72-76
• 发表论文和参加科研情况说明76-77
• 致谢77

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