李玉刚;任年鑫;莫仁杰;李炜
【摘 要】海上风机规格越来越大,水深越来越深,其动力响应问题愈发突出,对这一动力敏感性结构的设计,应该避免与波浪和风机产生共振,开展风浪环境荷载与海上风机相互作用的模型试验显得尤为必要.弹性相似模型是研究整体结构的动力行为的主要手段,将着重从基础结构弹性模型设计方法、风机模型设计方法、风荷载模拟装置、测量方法等方面进行研究.试验方法为海上风机的动力响应模型试验提供了有益的借鉴.
【期刊名称】《实验室科学》
【年(卷),期】2016(019)006
如果你也听说 周杰伦【总页数】5页(P1-4,7)
【关键词】海上风机;动力响应;模型试验;相似准则
【作 者】你是我的眼林宥嘉李玉刚;任年鑫;莫仁杰;李炜
【作者单位】大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,深海工程研究中心,辽宁大连 116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,深海工程研究中心,辽宁大连 116024;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,深海工程研究中心,辽宁大连 116024;中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江杭州310000
【正文语种】中 文
【中图分类】U661
海上风电规模化开发时间较晚，海洋环境的复杂多变以及相关海洋工程技术经验的匮乏，使得海上风电相关研究需要更多地依赖模型试验对设计进行验证，因此相关物理模型试验技术水平决定了研究与设计工作的有效性和实际价值。物理模型试验与原型观测相比，具有代价低，收集数据容易，环境条件更易于控制等优点[1]。但是，如果模型不能真实表达变量之间的关系，比尺效应将会出现；如果实验室不能真实的提供作用荷载和模型边界条件，实验室效应同样也会出现。
随着海上风电技术的不断进步，风机规格越来越大，水深越来越深，由于高耸的塔筒顶部
安装巨大的风机，其动力响应问题愈发突出，某些固定式海上风机的一阶频率降至0.25～0.35Hz之间[2]，对这一动力敏感性结构的设计，应该避免与波浪和风机产生共振。开展风浪联合作用下海上风机动力响应模型试验显得尤为重要，弹性相似模型是研究整体结构的动力行为的主要手段，可以捕捉风浪环境荷载作用下结构瞬态动力响应特征，本文将着重从基础结构弹性模型设计方法、风机模型设计方法、风荷载模拟装置、测量方法等方面进行研究。
海上风机的支撑结构是基于海上采油平台结构型式发展而成，目前海上风电场支撑结构主要分为以下几类：重力式，桩式(单桩、三脚架、多桩、导管架)，负压桶和浮式结构。其中单桩和三桩结构占目前世界上已建风场的90%以上。单桩适用于0～25m水深的海域，通常由4～6m的大直径钢管桩构成。三桩适合于20～50m水深，由中心柱提供风机塔筒的基本支撑，三桩通过垂直或倾斜套管固定在直径为0.8～2.5m的钢管桩上。本试验研究仅以单桩和三桩两种基础结构为对象进行研究,其基本结构型式如图1所示，试验目的主要是研究风浪联合作用下海上风机基础结构动力响应特征。
2.1 模型比尺的选择原则
正确选定一个合适的比尺是进行模型试验的前提，模型过小，比尺效应问题突出，相对精度降低；模型过大，池壁效应影响，造成水池中过量的波浪反射而干扰正常试验结果。
(1)水池(水槽)的主要尺度
根据实际的工作水深以及水池可调最大水深，从水深的模拟要求可以得到模型比尺的上限。
(2)模拟风、浪的能力
水池中配置的造风、造波系统的功能都有一定的极限，根据原型与模型速度比值是缩尺比的开方，即可初步确定模型比尺的上限。
(3)各类仪器的测量功能
物理模型试验需要测量的内容很多，诸如风速、流速、浪高、模型六个自由度的运动、以及受到的冲击力等。由于实验室一般都备有量程大小不同的各类测量仪器，仪器的测量功能通常不是选择模型比尺的决定因素，但也应予以考虑。
模型距测点或槽壁的距离不宜小于3倍桩、墩直径或4倍垂直于波向的桩、墩宽度，且不应小于15cm。
2.2 海上风机基础结构弹性模型的相似准则
根据试验目的和要求，基础结构模型需要满足几何相似，运动相似和动力相似，其中几何相似较容易满足。
(1)运动相似-Froude数相似
无论是模型流场还是原型流场，流动现象都是具有自由水表面的，重力的影响不可忽略，必须严格满足Froude数相似。而模型引力场和原型引力场都是在重力引力场下进行的，则可由Froude数相似和几何比尺确定流场参数比尺[3]。
Froude数相似条件：
(2)动力相似-弹性相似
试验过程中，考虑海上风机基础结构处于弹性变形范围内，根据柯西数相似及Froude数相
似可以得到[4]：
λE=λl
λρs=λρ=1
λγ=1
式中λE、λl、λρ、λρs和λγ分别代表原型和模型间的弹性模量比尺、几何比尺、流体密度比尺和结构密度比尺。获得能够同时满足以上条件的模型材料是非常困难的。对于有机玻璃模型材料，λE≈60，对于金属模型材料，λE≈1-4，而实际模型比尺往往在4-60之间，因此需要对模型做一些处理。
海上风机基础结构主要表现为弯曲振动，结构的抗弯刚度如下：
当模型的尺度X满足几何比尺时，必须要求模型的面积A适当改变(对于有机玻璃需要增大，对于金属材料需要变小)以补偿变小的弹性模量E，只有这样才能满足模型与原型的抗弯刚度相似。对于金属模型材料，壁厚将变得非常小，极易引起屈曲破坏，当试验采用有机玻璃材料制作模型时，管壁按以下比尺做适当加厚：
这里λt≠λl，λE≠λl。
另外，为了满足密度比尺λt=λρ=1，需要在基础结构相应位置配置附加质量(如铅块或铅片)。同时，阻尼的调整可以通过节段间安置粘弹性材料实现[5-7]。
2.3 风机模型的相似条件
与其他海洋工程结构主要受波浪荷载作用不同，海上风机结构的风荷载与波浪荷载占有同样重要的比重，风荷载的正确模拟对物理模型试验的可靠性影响很大，而如何准确的模拟风荷载是当前面临的一个难点。对于空气动力学问题，往往需要满足Reynolds相似准则，假设几何缩尺比为1：100，则需要在模型中重现100倍的原型风速，即对于原型为10m/s的风速需要在试验中重现1000m/s的风速，这显然是不切实际的。因此，海上风机模型试验普遍采用Froude相似准则，即意味着模型与原型的风速为比尺的开方关系，实际中比较容易实现。但是由于Froude比尺的风机翼型将与原型处在完全不同的雷诺数区域，这必然使得空气动力不能跟目标匹配。因此采用一个折中的办法解决风荷载的模拟：将风机模型等效为一个阻力圆盘[8-9](如图2所示)，其风荷载可以提供与原型风机(用Froude比尺)相同的推力，圆形阻力板被固定在塔筒的顶部，它的中心跟叶片的中心对应。而风机的气动荷
载由简易造风装置或风洞模拟，该研究方法仅适用于模拟总的风机荷载。
等效原则为：风轮旋转产生的推力(T风机)等于等效板面所受阻力(T等效板)与比尺(λ)的三次方乘积，具体表达式如下：
你你去T风机=T等效板·λ3
你给我听好想哭就要笑式中：CT为风机的推力系数；CD为等效板面的阻力系数；A风轮为旋转风轮扫略面积，A等效板为等效板面的面积，V原型和V模型分别为原型与模型风速。
对于等效板的阻力系数CD，当等效板没有空隙时取1.2，若有空隙时采用以下公式确定：
CD=1.2(1-β2)
β=A空隙/A总
式中，A空隙为空隙面积，A总等效板总面积。
模型参数相似关系如表1所示。
2.4 边界条件模拟
海上风机基础结构的边界条件：其边界条件主要为基础底部的固定，提供两种备选方案，即等效桩长法(6倍桩径)和等效刚度法(泥面处由不同的弹簧约束桩基的位移与转角)，本文采用等效桩长法。
根据试验模型物理量的测试要求，拟采用以下测试仪器设备进行测试。
(1)波浪要素
采用浪高仪测试波浪要素。根据试验条件，拟在造波机和试验模型之间沿波浪作用方向设置2～3个浪高仪，以测量波浪的波高、波周期和频谱。
(2)海上风机基础的受力状态
采用防水型六分力传感器测试海上风机基础结构的3个平动和3个转动方向的力和弯矩。
(3)结构位移响应
采用激光位移传感器测试结构的变形和位移。
(4)结构加速度响应
铃儿响叮当的简谱采用微型加速度传感器测试结构的加速度。
对于以上物理量测试的传感元件，采用配套的信号调理和放大设备，最终转化成数字信号进行采集。
造风装置的选择是模型试验的另一个难点，既可以真实地重现海上风环境要素，提高实验研究的精度，又需要造价尽量的低廉可以接受。目前模型试验中风荷载的模拟方式主要为简易风扇阵列和高品质风洞两种。
4.1 局部造风
简易风扇阵列如图3所示，将多组轴流风扇放着在池边或固定在工作桥上面，面对模型进行工作，往往产生稳态风荷载，但品质较差(湍流度大于10%)，由于巨大的风荷载发散面，风谱的产生和控制是非常困难的[10]。
4.2 整体造风-较高品质风洞
blow your mind风洞是空气动力学试验中最广泛使用的工具，起先用于确定飞行器的气动布局和评估其气动性能等；现在风洞试验已经从航天领域推广至土木工程、海洋工程等领域[11]，其主要用于对大气边界层的模拟。典型风洞浪槽联合实验室如图4所示。大气边界层风洞可以模拟出高质量的风场，体现在气流的稳定性、风速的均匀性和风向的均匀性方面，均能达到较高的精度[12]。但是对于海洋工程的物理模型试验，风洞中风、浪、流经常同时出现，且风洞中造波机、池壁、拖车等设备干扰因素多，风场的品质比土木风洞稍差一些(湍流度一般小于2%)，且风场对波浪自由面产生影响而导致结构的动力响应失真。另外，风洞试验最大的问题是造价比较昂贵。
结合科研经费、试验精度要求、试验条件等因素，选取合适的造风方式进行试验。
海上风机长期矗立在风、浪等复杂的海洋环境中，由于其高柔性特征，使得其动力问题显得较为突出，物理模型试验作为验证设计是否合理的一种手段，必须考虑其动力响应特征，本文以单桩和三桩基础为例，给出了基础结构弹性模型的设计方风机模型设计方法、风荷载模拟装置、测量方案，该设计方法为海上风机的动力响应模型试验提供了有益的借鉴。
【相关文献】
[1] Chakrabarti SK. Offshore Structure Modelling [M].Singapore：World Scientific Publishing Co Pte Ltd,1994:1-400.
[2] Det Norske Veritas. DNV-OS-J101 Design of offshore wind turbine structures [S]. Norway: Det Norske Veritas，2011.
[3] 左其华.水波相似与模拟[M].北京：海洋出版社，2006:1-20.
[4] Kolkman PA, Weide JVD. Elastic similarity models as a tool for offshore engineering development [C]. Delft: Delft Hydraulics Laboratory, 1971:1-56.
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