波流作用下海上固定式风机基础的水动力性能数值模拟

第31卷第5期江苏科技大学学报（自然科学版）V d.3l N〇.5 2017 年10 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology ( Natural Science Edition) Oct. 2017

DOI：10. 3969/j.issn.1673 -4807.2017. 05.001

波流作用下海上固定式风机基础的

水动力性能数值模拟

刘正浩12,万德成12*

(1.上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海200240)

(2.高新船舶与深海开发装备协同创新中心，上海200240)

摘要：海上风机基础长期受到海流、波浪等环境荷载的交互作用,作业难度较大，研究风机基础的水动力特性可为其设计 及应用提供重要参考.文中基于自主研发的船舶与海洋工程CFD求解器na〇e-FOAM-SJTU,对一座固定式高桩承台风机基 础在波流作用下的水动力参数进行数值模拟，研究了波浪与海流联合作用时，该风机基础在不同水深、不同波高条件下的

受力、表面压力以及波面爬升现象，并与上海交通大学海洋工程国家重点实验室的模型试验结果进行比较,计算结果显示 nae-FOAM-SJTU求解器可以很好地模拟波流联合作用下风机基础的水动力特性.

关键词：高桩承台风机基础;波流作用;nae-FOAM-SJTU求解器;水动力性能

中图分类号：〇35 文献标志码：A 文章编号：1673 -4807(2017)05 -0555 -06

Numerical study of hydrodynamic performance of wind turbine

foundation under wave-current combinations

LIU Zhenghao1,2, WAN Decheng1,2*

(1.State Key Laboratory of Ocean Engineering, School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering,

Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 20020 , China)

(2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 20020, China)

Abstract ：Since wind turbine foundation is always under interaction of current,wa loads,analysis of hydrodynamic performance is of great importance for its design and a self-developed CFD solver named naoe-^FOAM-SJ'TU is adopted to numerically sim formance of a pile wind turbine foundation under the interaction of wave-current combinations.The forces and the flow field of the pile wind turbine foundation under different water depths and wave heig alyzed.The results compared with model test results show the naoe-FOAM-SJTUsolver is applicable and reliable

in the study of hydrodynamic performance of wind turbine foundation.

K e yw ords:pile wind turbine foundation,wave-current interaction,naoe-FOAM-SJTU solver,hydrodynamic performance

近年来，海上风力发电逐渐成为全球风电产业 发展的新方向.目前，商业化的海上风力发电场主要应用于浅水区域（水深小于30 m),并且多采用 固定式基座.在海洋工程领域，高桩承台风机基础

收稿日期：2017 -05 -25

基金项目：国家自然科学基金资助项目（51379125, 51490675, 11432009, 51579145)长江学者奖励计划（T2014099);上海高校东方学者特聘教授岗位跟踪计划（2013022);上海市优秀学术带头人计划（17XD1402300);上海市船舶工程重点实验室基金资助项目(K2015 - 11);工信部数值水池创新专项VIV/VIM资助项目（2016 -23/09)

作者简介：刘正浩（1989—）男，博士研究生，研究方向为海洋工程水动力学.

*通信作者：万德成（1967—），男，教授，研究方向为船舶水动力学.E-mail:dcwan@

引文格式：刘正浩，万德成.波流作用下海上固定式风机基础的水动力性能数值模拟[J].江苏科技大学学报（自然科学版），2017,31(5): 555 - 560. DOI： 10. 3969/j. issn. 1673 -4807.2017. 05.001.

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由于具有抗弯强度高、施工周期短、适应性强、成本 相对较低等特点而得到广泛应用.高桩承台风机基 础一般是由群桩和连接桩顶的承台组成，其所受波 浪和海流载荷对风机基础的安全性及使用寿命有 着重要影响，因此，研究高桩承台风机基础的水动 力特性对于工程应用具有重要意义.

目前，研究海上固定式风机基础水动力特性的 方法主要有实地监测、模型试验、理论分析和CFD 模拟等.实地监测所测得的数据比较可靠，可以作 为检验依据，但其通常是针对已有风机基础，对新 型风机基础的设计与应用指导意义不大.模型试验 一般是在海洋工程水池中进行的，通过采用造波 机、循环造流系统、水深调节等系统研究风机基础 在波流作用下的水动力响应.文献[1]通过实验分 析了纯波及波流共同作用时，风机基础惯性力系数 和拖曳力系数的变化规律.文献[2 -3]对东海大 桥桩基结构的波流力进行了模型试验研究，分析了 不同水深下不规则波与均匀流共同作用于小尺度 单桩以及群桩的水动力特征.文献[4 ]针对不规则 波中高桩承台进行了物理模型试验，较为系统地分 析了此风机基础的群桩水动力特性，并研究了桩柱 波浪力变化规律. 理论分析在风机基础水动力特性 研究中也有重要应用.文献[]利用时域高阶边界 元法研究了波流与结构物的相互作用问题.文献[6]基于线性势流理论和Morison公式，研究了规 则波中典型桩基承台结构的波浪力计算问题，并分 析了承台对桩基波浪力的影响，以及水深、桩柱相 对中心距离对承台效应系数的影响.

然而，随着研究不断地深入，理论分析方法受到 了很大的限制，而模型试验也需要较高的成本.近年 来，随着计算机技术的快速发展，CFD技术由于成本 较低，并且可以得到较为详细的流场信息等优点，被 广泛用于海上风力机固定式基座的水动力学性能分 析.文献[]在开源软件OpenFOAM的基础上，利用 VOF(Volume of Fluid)自由面处理技术研究了破碎 波和垂向的波浪载荷对固定式海上风力机基座的影 响.文献[8]利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU软件 分别研究了规则波和孤立波对东海大桥风机基础的 水动力特性的影响.

文中采用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解 器对一座固定式高桩承台基础在波流作用下的水 动力性能进行数值模拟分析，研究波浪与海流同向 工况下，该风机基础在不同水深、不同波高下的受 力、流场信息及波面爬升现象，并与现有模型试验 结果进行对比分析.1数值方法

1.1流体控制方程

对于非定常、不可压的黏性流体，采用流动的 控制方程为RANS(Reynolds-averaged navier-Stokes)方程：

V• ^=0(1)

号+V (p(U-Ug)U)=

-Vpd~g •x V p+ V• 〇L te f f V u) +

(V U)•V+L+fs(2)式中：U和Ug分别为流场速度和网格节点速度;p = p-p p • *为流场动压力，是总压力，P是流体密 度;；ef= = (为动力黏性系数；；为表面张力，只在界面处起作用，在非界面处为零;;s是数值造 波中消波区的源项，仅对消波区有效.

1.2 naoe-FOAM-SJTU求解器

naoe-FOAM-SJTU求解器[]是基于开源平台O peFO AM自主开发的船舶与海洋工程CFD求解 器.该求解器包含数值造波与消波模块、六自由度 运动模块和动态变形网格模块等，通过求解流场和 结构物六自由度运动方程，实现对船舶或者海洋工 程结构物[0_15]水动力性能的有效预报.

naoe-FOAM-SJTU求解器中自由面的处理采用 了O peFO AM中自带的V O F法.在对自由面的处 理过程中，需要引入体积分数a用来表示网格内 流体占有体积与整个网格体积的比重.a = 0表示 该网格内没有流体，0

naoe-FOAM-SJTU求解器可以实现推板造波、摇板造波、速度入口边界造波，用于处理不同的水 动力问题.因为文中需要同时考虑波和流的情况，因此采用速度入口边界造波.速度入口边界造波方 法通过在入口边界上设置波面位置和流体速度实 现造波.由于文中研究的是浅水工况下风机基础水 动力性能，浅水工况需要考虑波浪破碎、砰击等复 杂非线性问题，所以一般采用高阶波浪理论，根据 波浪参数之间的关系（波浪色散关系），选取斯托 克斯五阶波[5]作为数值计算的波浪模型.为了避 免波浪反射对计算精度的影响，需要在出口边界前 设置海绵层阻尼消波区，通过在动量方程中增加一 个源项/s =_-P s(U_ U o)，使在特定区域内的自 由波面逐渐消弱至水平面，从而避免在出口边界处