基于FAST軟件的海上風(fēng)機風(fēng)浪耦合結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析

(1. 上海電力股份有限公司， 上海 200010； 2.上海電力大豐海上風(fēng)電有限公司， 江蘇 鹽城 224000；3. 哈爾濱工程大學(xué) 航天與建筑工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種能源利用技術(shù)層出不窮，其中海上風(fēng)能由于其自身的諸多優(yōu)勢，日益受到各國的廣泛關(guān)注。海上風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，已經(jīng)成為調(diào)整能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分。中國作為一個能源大國，為滿足經(jīng)濟發(fā)展要求對能源需求尤為迫切，近年來也在積極發(fā)展海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)[1]。

雖然海上風(fēng)能具有諸多優(yōu)勢，然而作為海上風(fēng)能開發(fā)主體，海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)卻面臨著諸多難題。尤其是在海洋環(huán)境中存在著風(fēng)、浪、流等復(fù)雜荷載因素，在其共同作用下使得風(fēng)機結(jié)構(gòu)本身的動力特性反應(yīng)也變得更為復(fù)雜，因而需要對其進(jìn)行深入的研究。

在研究過程中，依據(jù)實際需要，應(yīng)采用不同種類的計算模型，一般包括整體系統(tǒng)模型、子系統(tǒng)模型和組件模型?？諝?彈性變形學(xué)描述了葉片與整體風(fēng)機系統(tǒng)的空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)的相互作用。海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)是受到高度動態(tài)加載的結(jié)構(gòu)，因此考慮不同組件間的相互作用是進(jìn)行海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)系統(tǒng)分析的基本。按照精度和成本，海上風(fēng)機結(jié)構(gòu)分析方法按照復(fù)雜性進(jìn)行升序排列，包括疊加方法、半整體方法、順序方法、完全耦合方法和完全整體方法。本次研究中所用到的研究方法為耦合分析方法。

耦合方法：首先，分別建立基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)葉片-機艙-塔架組件的詳細(xì)模型；然后，合并上述兩個模型為一整體模型；最后，基于整體模型開展時程分析，在每個時間步，基于前一個時間步進(jìn)行氣彈性計算，再施加水動力荷載，得到當(dāng)前步的計算結(jié)果。完全整體方法：考慮風(fēng)場、海洋環(huán)境、風(fēng)機、支撐結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)和土的所有關(guān)聯(lián)影響，建立含有其彈性分析和水動力分析的一個整體分析模型。

莫繼華等[2]針對簡化的海上風(fēng)機單樁結(jié)構(gòu)，基于整體耦合方法，對風(fēng)浪流耦合及不耦合作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行對比研究，在分析中風(fēng)速恒定，簡化樁土相互作用，沒有考慮風(fēng)機系統(tǒng)控制策略。王鵬[3]對海上風(fēng)機Tripod結(jié)構(gòu)在風(fēng)機荷載和環(huán)境荷載單獨作用及各種荷載極端工況和操作工況下的響應(yīng)進(jìn)行分析，并基于用鋼量最小對結(jié)構(gòu)各部分構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化。CHEN等[4]考慮風(fēng)浪流耦合，對海上風(fēng)機單樁結(jié)構(gòu)在極端環(huán)境條件下的動位移和彎矩進(jìn)行分析，研究環(huán)境荷載頻率與結(jié)構(gòu)頻率之間的關(guān)系。RAMACHANDRAN等[5]基于三維風(fēng)浪荷載對海上風(fēng)機TLP基礎(chǔ)進(jìn)行完全耦合的三維動力分析，研究其運動響應(yīng)。ANDERSEN等[6]采用氣彈性分析得到風(fēng)荷載及風(fēng)機運行荷載，基于風(fēng)浪耦合的簡化整體模型和概率方法，研究處于黏性土地基中的海上風(fēng)機單樁結(jié)構(gòu)的頻率。

我國海上風(fēng)機多推薦采用多樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)型式[7]，海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)既受到波流荷載的作用，又受到頂部風(fēng)機空氣動力荷載的長期作用，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)易發(fā)生疲勞損傷，因此十分良好地抵抗波浪、海流作用的流體動力特性對于其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)而言是必不可少的。

圖1 固定式海上風(fēng)機FAST功能模塊

5 MW風(fēng)機是近期國內(nèi)外海上風(fēng)電場開發(fā)的典型和主力機型之一。由于不同風(fēng)機生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的風(fēng)機葉片、機艙內(nèi)的發(fā)電設(shè)備、風(fēng)機的運行控制系統(tǒng)各有特點，為了開展海上風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)分析，本文以NREL 5 MW基準(zhǔn)風(fēng)機[8]為基礎(chǔ)，結(jié)合海裝5 MW風(fēng)機支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計，并在重新設(shè)計塔筒的基礎(chǔ)上，建立名為WT 5 MW海上5樁基準(zhǔn)風(fēng)機的整體結(jié)構(gòu)模型。通過FAST軟件建立海上風(fēng)機整體耦合分析模型，分別計算得到了風(fēng)、浪單獨作用下的風(fēng)機結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)，以及風(fēng)浪耦合作用下的風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析。

1 風(fēng)機數(shù)值模型

1.1 FAST整體耦合分析步驟

FAST是由美國國家能源實驗室下屬的國家風(fēng)能技術(shù)中心開發(fā)的專門用于陸上和海上風(fēng)力發(fā)電機進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)動力分析的軟件。

基于FAST系列軟件開展海上風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)耦合動力反應(yīng)分析。對于固定式海上風(fēng)機，F(xiàn)AST開展整體耦合分析的大致步驟如圖1所示。

(1) 創(chuàng)建海上風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)模型輸入文件，F(xiàn)AST主程序讀取該文件，并對模型文件的有效性進(jìn)行檢查。

(2) 氣彈性分析模塊和水動力計算模塊分別讀取風(fēng)速時程文件和海況文件，由此確定初始條件和邊界條件，基于FAST模型文件分別開展氣彈性分析和水動力計算，得到初始t0時刻的氣動力荷載和水動力荷載。

(3) 依據(jù)步驟(2)得到的t0時刻環(huán)境荷載，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模塊開展整體結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析，同時控制策略模塊依據(jù)風(fēng)機運行狀態(tài)判斷是否需要啟動控制策略，從而得到tk(k=1,2,3,…,n；n為總計算步數(shù))時刻的整體結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)參數(shù)，如加速度、速度、位移、應(yīng)力等。

(4) 基于步驟(3)得到的整體結(jié)構(gòu)各部分的動力響應(yīng)參數(shù)，氣彈性分析模塊和水動力計算模塊分別計算得到tk時刻的各葉片葉素的相對流速和設(shè)計水位以下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件各節(jié)點的水質(zhì)點速度對應(yīng)的氣動力荷載和水動力荷載。

(5) 基于步驟(4)得到的tk時刻的各葉片葉素的相對流速和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件各節(jié)點的水質(zhì)點速度分別對應(yīng)的氣動力荷載和水動力荷載，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模塊開展tk+1時刻整體結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析，同時控制策略模塊依據(jù)風(fēng)機運行狀態(tài)判斷是否需要啟動控制策略，進(jìn)而得到整體結(jié)構(gòu)各部分的動力響應(yīng)參數(shù)。

(6) 重復(fù)步驟(4)和(5)，直至完成所有時間步的邊界條件計算和結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析。

需要指出的是，F(xiàn)AST中用tk時刻的氣動力荷載、水動力荷載計算tk+1時刻的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)，隨后依據(jù)tk+1時刻的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)進(jìn)行tk+1時刻的結(jié)構(gòu)氣彈性分析和水動力荷載計算。FAST主要考慮子結(jié)構(gòu)與子結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與環(huán)境之間的相互作用，依據(jù)上述流程開展海上風(fēng)機整體耦合反應(yīng)分析。

1.2 WT 5 MW風(fēng)機整體耦合分析模型及設(shè)計工況

利用FAST軟件建立WT 5 MW風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)模型，并基于整體耦合模型開展風(fēng)、浪單獨及耦合作用下的結(jié)構(gòu)動力時程分析。其中，海上風(fēng)機上部結(jié)構(gòu)和下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的FAST輸入?yún)?shù)如圖2和圖3所示。

圖2 海上風(fēng)機上部結(jié)構(gòu)建模FAST主要輸入?yún)?shù) 圖3 海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建模FAST主要輸入?yún)?shù)

結(jié)構(gòu)動力時程分析中考慮的分析工況為1 a設(shè)計高潮位和1 a設(shè)計低潮位，如表1所示。其中1 a重現(xiàn)期波浪參數(shù)如表2所示。

表1 環(huán)境載荷計算工況(正常使用工況)的重現(xiàn)期 a

表2 1 a重現(xiàn)期設(shè)計波浪要素

2 結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析結(jié)果

2.1 風(fēng)單獨作用下WT 5 MW風(fēng)機結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析

2.1.1 葉片的空氣動力荷載時程

基于海上風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)模型開展風(fēng)時程動力反應(yīng)分析，得到1 a重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速(17.36 m/s)下作用于18°方向、30°方向的風(fēng)機葉片的空氣動力荷載時程，如圖4和圖5所示。圖4和圖5中FN代表葉片旋轉(zhuǎn)平面法向推力，F(xiàn)T代表葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)切向阻力，PM代表葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)氣動扭矩。

圖4 18°作用方向空氣動力荷載時程 圖5 30°作用方向空氣動力荷載時程

圖6 FAST整體坐標(biāo)系、塔筒頂部和底部坐標(biāo)系

圖7 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件位置示例

2.1.2 塔筒頂部風(fēng)機荷載時程

計算設(shè)計高潮位和設(shè)計低潮位下重現(xiàn)期1 a設(shè)計風(fēng)速分別作用于18°方向、30°方向的塔筒頂部風(fēng)機荷載時程Fxk、Fyk、Fzk、Mxk、Myk、Mzk，分別代表相對于塔筒頂部坐標(biāo)系xk、yk、zk軸的荷載和彎矩，如圖6所示。計算結(jié)果顯示，塔筒頂部風(fēng)機荷載在耦合分析初始時刻由于計算模型初始條件的影響，計算結(jié)果都存在較大的瞬態(tài)反應(yīng)。在結(jié)構(gòu)阻尼、氣動阻尼、水動阻尼的聯(lián)合作用下，荷載幅值變化范圍逐漸減小，風(fēng)機荷載響應(yīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，但是由于塔筒的側(cè)向振動以及葉片旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的切向風(fēng)速分量的存在，以至于繞y軸和z軸的彎矩仍有較大的幅值變化。通過對比可以確定，塔筒頂部風(fēng)機荷載的控制荷載為Fxk、Mxk，而Fzk主要反應(yīng)上部結(jié)構(gòu)自重。比如：在設(shè)計低潮位下18°方向中Fxk穩(wěn)態(tài)反應(yīng)階段最大值為389.90 kN，最小值為325.00 kN，穩(wěn)態(tài)階段時程均值為356.26 kN；Mxk穩(wěn)態(tài)反應(yīng)階段最大值為4 346.00 kN·m，最小值為3 786.00 kN·m，穩(wěn)態(tài)階段時程均值為4 076.23 kN·m。在設(shè)計高潮位下的計算結(jié)果與前者基本一致。

2.1.3 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力時程

對應(yīng)于設(shè)計高潮位和設(shè)計低潮位1 a重現(xiàn)期設(shè)計風(fēng)速18°方向、30°方向的海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分桿件內(nèi)力時程，其中M1～M4為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件，其桿件位置如圖7所示。從計算結(jié)果可以看出，桿件主要受到軸力Fz、面外彎矩Mx、面內(nèi)彎矩My的作用，對應(yīng)于不同風(fēng)荷載作用方向，桿件受力狀態(tài)發(fā)生改變，比如桿件M1、M2、M3、M4的桿端彎矩在18°和30°作用方向時幅值變化范圍較大，波動持續(xù)時間較長。此外由于風(fēng)機偏航控制的作用，在18°和30°方向的塔筒頂部風(fēng)機荷載Mxk、Myk的時程幅值和均值變化顯著。在偏航控制策略影響下，在18°方向上Mxk的時程幅值和均值較大；而對于Myk則是在30°方向上幅值和均值較大。但是，通過對比得出合力矩Mxy在18°和30°方向上基本一致，所以在該工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力時程的幅值和均值在18°與30°方向上差別較小。

2.2 波浪單獨作用下WT 5 MW風(fēng)機結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析

對應(yīng)于設(shè)計高潮位1 a重現(xiàn)期波浪荷載作用下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分桿件內(nèi)力時程，M1～M4為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件，①～⑤為樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，桿件位置如圖7所示。本次選用Airy線性波浪理論開展水動力計算，計算結(jié)果顯示桿件主要受到軸向荷載Fz、面外彎矩Mx、面內(nèi)彎矩My的作用，桿件M1和M2相對于M3、M4受到較大的面內(nèi)彎矩My作用。此外，從18°和30°的計算結(jié)果對比可以看出，在波浪荷載單獨作用時桿件受到的軸向荷載作用表現(xiàn)為壓力。

在設(shè)計低潮位1 a重現(xiàn)期波浪荷載作用下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分桿件內(nèi)力時程計算結(jié)果與上述設(shè)計高潮位的結(jié)果類似。

2.3 風(fēng)浪耦合作用下的WT 5 MW風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)分析

本文主要對此海上風(fēng)機在R1和R2工況下的整體結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)進(jìn)行分析。

(1) 葉片的空氣動力荷載時程。參考R1和R2的設(shè)計工況荷載參數(shù)，基于整體結(jié)構(gòu)模型開展耦合反應(yīng)分析，得到作用于風(fēng)機葉片的空氣動力荷載，將結(jié)果與風(fēng)單獨作用下的動力反應(yīng)分析相對比，發(fā)現(xiàn)波浪荷載對于上部結(jié)構(gòu)氣動力荷載的影響不大。

(2) 塔筒頂部風(fēng)機荷載時程。對應(yīng)于R1和R2的設(shè)計工況，基于整體耦合模型動力分析得到塔筒頂部風(fēng)機荷載。

與之前風(fēng)單獨作用下的計算結(jié)果相對比，發(fā)現(xiàn)波浪荷載作用對于風(fēng)機荷載有著明顯影響，在波浪荷載的影響下風(fēng)機荷載時程幅值變化范圍增大，時域波形發(fā)生顯著變化。此外，由風(fēng)浪耦合作用下的計算結(jié)果可以看出，在風(fēng)機荷載頻域信號中包含波浪荷載頻率分量、結(jié)構(gòu)基頻分量，由此進(jìn)一步說明整體耦合分析充分考慮了風(fēng)、波浪、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)運動之間的相互影響。

(3) 基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力時程。在R1和R2工況下，基于整體耦合分析方法得到的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分桿件內(nèi)力時程，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件主要受到軸力Fz、面外彎矩Mx以及面內(nèi)彎矩My的作用，而且桿件M1～M4受到耦合作用明顯，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力頻域內(nèi)既包含結(jié)構(gòu)基頻也存在波浪荷載頻率。通過與之前計算結(jié)果對比可以看出，波浪荷載的作用對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)具有顯著的影響。

3 風(fēng)浪荷載耦合作用分析

對上述結(jié)果進(jìn)行綜合對比分析，可得各計算工況下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力時程極值和均值統(tǒng)計表，以R1工況下的18°方向的計算結(jié)果為例，如表3所示。

表3 R1工況18°作用方向桿件內(nèi)力時程極值和均值對比

從表3可以明顯看出，風(fēng)浪耦合作用對于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力時程極值和均值均存在影響，但對不同桿件內(nèi)力耦合作用影響程度不同，風(fēng)浪耦合作用下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件桿端荷載Fz時程的最小值和平均值顯著小于風(fēng)浪單獨作用下相應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)力時程的線性疊加。比如：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件M2在風(fēng)浪聯(lián)合作用下桿端荷載Fz時程的最小值為-2 420.0 kN，波浪荷載單獨作用下的最小值為-3 364.0 kN，風(fēng)荷載單獨作用下的最小值為-3 339.0 kN，風(fēng)和波浪單獨作用線性疊加的結(jié)果為-6 703.0 kN，這一結(jié)果是耦合作用下軸力時程最小值的2.77倍；桿端荷載Mx在風(fēng)浪聯(lián)合作用下時程的最小值為-1 397.0 kN·m，波浪荷載單獨作用下的最小值為-1 984.0 kN·m，風(fēng)荷載單獨作用下的最小值為153.6 kN·m，風(fēng)和波浪單獨作用線性疊加的結(jié)果為-1 830.4 kN·m，這一結(jié)果是耦合作用下軸力時程最小值的1.31倍。這里需要注意的是此處所用的疊加方法與傳統(tǒng)海上風(fēng)機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計所采用的疊加方法有所區(qū)別，在該章節(jié)中疊加僅是考慮各荷載單獨作用時結(jié)構(gòu)反應(yīng)時程極值的線性組合，組合因數(shù)為1。此結(jié)論同樣對R1的30°作用方向成立，以及對R2的18°、30°作用方向成立。

4 結(jié) 論

以WT 5 MW海上風(fēng)機為研究對象，運用FAST軟件建立WT 5 MW風(fēng)機整體結(jié)構(gòu)模型，基于荷載分析工況R1、R2和相關(guān)控制策略，開展海上風(fēng)機整體耦合作用研究，并對R1和R2工況下的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力時程耦合作用效果進(jìn)行深入分析。

首先通過對比得出，風(fēng)機偏航控制策略對于塔筒頂部風(fēng)機荷載Mxk和Myk影響明顯。對應(yīng)于不同偏航角度，Mxk和Myk在穩(wěn)態(tài)反應(yīng)階段荷載幅值和均值差異明顯，但是通過計算得出其合力矩Mxy時程反應(yīng)基本相同。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步得出對于風(fēng)荷載單獨作用工況，對應(yīng)不同風(fēng)機偏航角度控制策略，風(fēng)機荷載分量雖然存在較明顯差異但是由于其合力矩基本一致，所以基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力反應(yīng)基本一致。

在R1和R2工況下，耦合作用對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)桿件內(nèi)力時程存在一定程度影響，但對于不同位置處的桿件，其耦合作用效果不同，且耦合作用對于結(jié)構(gòu)反應(yīng)時程幅值以及均值的影響也不盡相同?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力時程Fz在耦合分析下結(jié)果時程的極小值和平均值要顯著小于各荷載單獨作用下內(nèi)力時程的極小值和平均值的疊加。

研究結(jié)果說明環(huán)境荷載對風(fēng)機荷載、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)內(nèi)力存在著明顯的耦合作用，該耦合作用對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)時程的幅值和均值影響明顯。通過不同控制策略結(jié)果對比說明，基于Mxy最大值選取風(fēng)機荷載控制值進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及安全校核是合理的。