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海上风电支撑结构波浪力及基础冲刷的三维数值模拟研究

作　者: 赵雁飞
导　师: 张庆河
学　校: 天津大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: Flow3D 海上风机基础空间变步长消波波浪力冲刷
分类号: TV139.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,许多国家都开始重视风电的开发和利用,海上风力资源约为陆地上的3～5倍,大规模发展海上风电已成为未来电力发展的必然趋势。复杂的海洋环境会影响到海上风电结构的稳定性,其中水流荷载、波浪荷载起着主要作用。波浪荷载直接作用在海上风机基础结构上,同时,基础周围的冲刷也会导致海床对风机结构的持力作用降低,严重威胁风机基础的稳定性。本文基于Flow3D软件建立了三维数值水池,模拟了波浪作用下海上风机基础受力和水流作用下风机基础周围冲刷,对海上风机基础稳定性进行了研究。本文的主要内容和结论如下:(1)基于计算流体动力学软件Flow3D,建立了模拟波浪、水流与建筑物、海床之间相互作用的三维数值水池,模型采用VOF法进行自由表面追踪,RNG k ?ε模型模拟紊流,空间变步长结构结合出流边界进行消波处理。计算表明,模型能有效减小出流边界的波浪反射,准确模拟三维波浪传播。(2)模拟了极端波浪荷载工况下,风电单桩基础和筒型基础两种结构所受的波浪力。波高初始值为该水深处的极限波高,模拟过程中考虑了波浪浅水变形影响,增大水深的同时模型中加入了斜坡,使波浪到达建筑物附近时达到需要的波高值,实现了对作用在建筑物上波浪力的准确模拟。(3)基于Flow3D软件,建立了水流作用下结构物周围冲刷的三维数值模型。首先与文献中冲刷物理模型试验结果进行比较,结果表明:建立的三维数值模型能够准确地计算出建筑物附近冲刷坑的深度,能较好地模拟出建筑物附近冲刷过程中床面的变化情况。并将所建模型应用于水流作用下海上风机基础周围冲刷过程的模拟,计算结果可以为风电基础结构基础的优化设计提供一定的参考依据。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 研究背景与目的  7-8
  1.2 相关研究进展  8-11
  1.3 常用的CFD商用软件介绍  11-13
  1.4 本文的主要工作  13-15
第二章数值模型理论基础  15-19
  2.1 Flow3D软件介绍  15
  2.2 控制方程及其离散求解  15-16
  2.3 边界条件和初始条件  16-17
  2.4 冲刷沉积模型介绍  17-18
  2.5 本章小结  18-19
第三章数值波浪水槽和水池中的空间变步长消波  19-31
  3.1 差商逼近微商的近似性质  19-20
  3.2 影响空间变步长消波性能的参数分析  20-29
  3.3 空间变步长消波方式的优缺点  29-30
  3.4 本章小结  30-31
第四章波浪与海上风机基础相互作用的三维数值模拟  31-56
  4.1 海洋水文资料  31-32
  4.2 海上风机基础结构介绍  32-35
  4.3 结构设计中波浪力的计算方法  35-37
  4.4 破碎波浪力的数值模拟及验证  37-39
  4.5 单桩基础波浪力的数值模拟  39-48
  4.6 筒型基础波浪力的数值模拟  48-55
  4.7 本章小结  55-56
第五章水流作用下风机基础周围冲刷的三维数值模拟  56-70
  5.1 水流的模拟及验证  56-58
  5.2 冲刷模型的设定与验证  58-62
  5.3 单桩基础周围冲刷的数值模拟  62-65
  5.4 筒型基础周围冲刷的数值模拟  65-69
  5.5 本章小结  69-70
第六章结论与展望  70-72
  6.1 主要研究成果  70
  6.2 对未来的展望  70-72
参考文献  72-76
发表论文和参加科研情况说明  76-77
致谢  77

海上风电支撑结构波浪力及基础冲刷的三维数值模拟研究

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