波流联合作用下风机支撑结构的流固耦合振动研究

波流联合作用下风机支撑结构的流固耦合振动是动力安全的关键性技术难题。本课题拟以近海风电机组常用的大尺度圆柱单桩支撑结构为对象，进行以下研究工作：采用模型试验方法研究风机支撑结构的波流水力特性，包括波浪力、涡激力、潮流脉动等水动力的分布规律、时域数字特征和频域能量分布特性；引入合理的入流和出流边界条件，采用两步Taylor-Galerkin格式离散控制方程，运用Level set方法追踪自由面，进行波流大尺度圆柱绕流的三维有限元数值模拟；研究波流与结构耦合作用机理，在有限元框架内采用合适的离散格式和界面条件推导波流与结构系统的动力方程，进行结构的流固耦合振动分析。通过研究，揭示风机支撑结构的波流水力特性和作用机理，建立波流大尺度圆柱绕流三维有限元数值模拟方法及波流-结构流固耦合振动分析方法。研究成果对于合理预测近海风机支撑结构的振动响应、指导结构动力优化设计、保障结构振动安全具有重要意义。

环境污染和能源危机使海上风电成为世界各国清洁能源开发的重点，而海上风电的风机—塔架—基础桩（群）组成高耸结构，承受着陆上风机所没有的波浪、潮流作用，且波流与支撑结构存在复杂的耦合效应，同时随着单机容量和重量的日益增大，支撑结构系统振动安全问题更加突出。因此，开展波流联合作用下海上风机支撑结构的流固耦合振动研究是十分必要和迫切的。.针对海上风机单桩基础支撑结构在波浪潮流作用下的振动安全问题，依托湛江外罗海上风电场，采用物理模型试验与数值分析相结合的方法，全面系统的研究了波流支撑结构的流固耦合振动，内容涉及外激励荷载、自振特性、振动响应及减振措施等多个方面。.通过水工模型试验，揭示了单桩基础潮流、波浪及波流水动力荷载特性，包括潮流脉动、漩涡脱落、波浪冲击、波流联合作用等动水荷载的时域分布规律和频域能量分布特征；通过三维有限元数值模型，研究了流固耦合、机组重量、地基弹模、桩基壁厚等因素对支撑结构自振特性的影响，为结构动特性分析和动力优化设计提供依据；采用自由表面、流固耦合边界条件，在有限元框架内，建立了波流与单桩基础支撑结构流固耦合振动分析方法，实现了合理预测风机支撑结构的波流流激振动响应；从振源出发，平顺波流、改善流态、阻断荷载传递路径，提出单桩基础支撑结构波流激励减振方法，验证试验表明振动减小50%~70%。.通过项目研究，基本形成相对完善的海上风机支撑结构的抗振安全评价及动力优化设计方法，可为结构抗振设计提供参考。