极端海洋环境下风机支撑结构耦合载荷与动力响应机理研究

Wind power, as an environment-friendly renewable source of energy, is promising to exploit on a large scale. Offshore wind resource is more abundant than inland for steady and high wind speed. Offshore wind power is consequently seeing its blooming development with an increasing interest of larger wind turbines and floating support-platform concepts for deeper waters. Nonetheless, the knowledge base that is needed to achieve the desired performance of offshore wind farms is far less complete. It is urgently essential to deepen understanding of the hydrodynamics and fluid-structure-foundation interaction involving offshore wind turbines. This project aims to derive new knowledge of the interaction between offshore wind turbine system and ambient flows, develop coupled hydrodynamic model under extreme ocean environment, and build up new theory to describe coupled loading and dynamic behaviors of offshore wind turbine system. The theory will subsequently be applied to explore the fluid-structure-foundation interaction of some established offshore wind turbines in shallow waters and conceptual ones in deep waters. The proposed project will certainly promote the integration of mechanics and ocean engineering science. In conclusion, the project aims at providing an opportunity in time for China to establish internationally outstanding expertise in the subject area, which is integral to offshore wind resource exploitation and therefore of public interest and environmental significance.

风能是最具规模化发展前景的环境友好型能源。海上风资源丰富，海上风电已成为可再生能源研究的热点，并正向大容量装机和深水浮式支撑结构发展。然而，现有海上风电工程的基础理论还很不完善，切实针对海上风机系统特征的水动力学理论及环境-结构-地基流固耦合机理的研究亟待深入。本项目将依托实际海上风机和深水浮式支撑，采用现场观测、室内实验、理论分析和数值模拟并举的途径，深入研究极端海洋环境下浅海风浪流耦合的规律与模型，发展海上风机系统耦合载荷与力学行为的描述方法，揭示系统对耦合环境的响应特征和海上高耸结构与地基的耦合规律，同时前瞻性地研究浮式风机支撑结构的水动力载荷及流固耦合机理，发展新型浮式支撑结构的概念设计。本研究将为完善海上风电工程的水动力学理论提供科学依据，对发展绿色能源、缓解气候变化、提升我国自主创新能力具有重要意义，同时将进一步促进力学与新型海洋工程的交叉研究，丰富力学学科的内容、方法和理论。

风能是最具规模化发展前景的环境友好型能源。海上风资源丰富，海上风电已成为可再生能源研究的热点，并正向大容量装机和深水浮式支撑结构发展。然而，现有海上风电工程的基础理论还很不完善，切实针对海上风机系统特征的水动力学理论及环境-结构-地基流固耦合机理的研究亟待深入。本项目依托我国东海大桥100兆瓦示范风电场等实际海上风机和深水浮式支撑，采用现场观测、室内实验、理论分析和数值模拟并举的途径，对海上风机系统涉及的风浪流环境条件、结构水动力载荷、结构响应、流固土耦合等关键科学问题进行了深入的研究。. 本研究积累了丰富的环境条件及相应的支撑结构/地基响应的配套数据；提出台风非平稳过程的概念，发展了考虑气候变化影响的台风极值风速的非平稳预报模型；发展了风电场风速的短期与中长期预报模型；建立了渤海寒潮、东海和南海台风诱导的波流预测模型；提出了中等尺度海洋工程结构的概念，并明确了小、中、大尺度的定量界限，给出了不同尺度结构波浪力的计算方法；研究了我国东海大桥风电场高桩承台的波浪力，揭示了极端波浪砰击承台所造成的桩柱波浪力突增的机理，阐明了传统理论不能准确描述此类波浪力的原因，据此提出了优化高桩承台结构的新途径；揭示了大桩基（小KC数）基础的冲刷机理，并用平均流速定义的Froude数建立了极限平衡冲深预测公式，精度显著提升；提出土体有效深度的概念修正了有冲刷影响的桩土作用p-y曲线；修正了海床土体瞬态液化的判别准则，并给出了新的瞬态液化深度预测公式。发展了水下柔性结构涡激振动的时域分析模型及其与水面浮体运动耦合的分析方法，发现低速锁频、响应放大、模态转换等新现象，提出了采用新型空气弹簧阻尼器对浮式平台进行多自由度运动抑制的新途径。本研究对发展海上风电具有重要的科学意义和应用价值，同时将进一步促进力学与新型海洋工程的交叉研究，丰富力学学科的内容、方法和理论。