多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率.本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布.结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险.对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响.三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性.

中国海洋能研究现状及未来发展建议

随着全球人口的增长、能源结构的转型和对可持续能源需求的增加,中国面临着优化其能源体系的紧迫任务。作为清洁、可再生的能源形式,海洋能成为国内外能源研究的焦点,其在中国具有巨大的开发潜力。在分析中国海洋能分布特征和发展现状的基础上,总结了中国海洋能开发的趋势,对未来的海洋能产业提出了构建面向“双碳”战略的海洋能顶层发展规划、建立健全海洋能技术的政策等建议,助力中国海洋能技术稳步发展。

海上风电桩基“抛石+”复合防护方法试验研究

针对现有海上风电基础冲刷防护措施的失效机理及薄弱之处,利用扰流环的驻涡原理降低了水流对抛石层的沉陷破坏、利用套筒固定抛石层从而减弱了抛石层的边缘破坏、利用仿生水草垫阻碍下潜水流及侧向来流的功能有效减弱了抛石层的剪切破坏,由此分别提出了“抛石+扰流环”“抛石+套筒”“抛石+仿生水草”三种新型复合防护方法,并按照3类复合防护措施的布置方式提出10种具体的复合防护设计。进一步开展物理模型试验,评估不同复合防护方法的防护效果。试验结果表明,海流作用下3类复合防护的防护效果均较好且明显优于抛石单独防护,防护效率均在66%以上。当抛石铺设范围为3倍单桩直径、抛石厚度为2倍的中值粒径,扰流环内部直径设置为2倍单桩直径、距离抛石层0.5倍桩径时,扰流环能够更好地发挥作用,使得到达抛石层以及周围泥沙的水流分散并且流速减缓,此种复合防护方法的防护效率为82.2%,能够达到理想的防护效果。

波浪作用下海上风电桩基冲刷复合防护方法试验

为探究海上风电基础有效的冲刷防护方法,针对某实际工程在波浪作用下的冲刷防护,分别提出抛石与柔性幕布、仿生水草与抛石、水平隔板与套筒等3种复合防护方法,并在波浪水槽中开展冲刷物理模型试验,分析不同防护手段作用下桩基周围的冲刷形态和最大冲刷深度。结果表明:柔性幕布可减小抛石单独作用时下潜流和马蹄涡对床身的剪切作用并减少床身砂石的流失;仿生水草可起到类似的作用,同时可减小正向流速和防止二次冲刷的作用;套筒可弥补水平隔板单独作用时水平隔板边缘易受冲刷的缺点。3种防护方法在波浪作用条件下的冲刷防护效果均较好,且水平隔板与套筒的复合防护方法效果最佳。

防淤积型透空式防波堤水动力特性分析

为探究新型防淤积型透空式防波堤的水动力性能,本文基于标准的k-ε紊流模型构建了规则波与透空式防波堤相互作用的数值模型,开展了物理模型试验。本文利用数值模拟方法探究了规则波作用下透空式防波堤的消波性能、荷载特征等水动力特性。研究发现:挡板入水深度增大50%,透射系数减小9%~28%;入水深度增大100%,透射系数减小42%~58%。防淤积型透空式防波堤可通过调节上拦沙板的下落高度保证潮位变化过程中的挡浪效果。上拦沙板的无量纲水平波浪力和上托力随波陡的增大而减小,在大波作用下,上拦沙板整体处于挡浪板后时其承受的水平波浪力更大。防淤积型透空式防波堤的特殊结构及其良好的消波效果,决定了其有成为理想的海岸防护结构的巨大潜力。

防淤积型透空式防波堤波浪爬高试验及预测研究

波浪爬高是防波堤堤顶高程设计和预估工程造价的重要影响因素.以防淤积型透空式防波堤为研究对象,采用1∶10的模型比尺,在64组不同工况下开展防波堤的物理模型爬高试验,并记录了不同工况下防波堤迎浪侧的最大波浪爬升高度,探究了防波堤的波浪爬升特征.分别运用多项式回归方法、速度水头方法与M5'模型树算法并结合物理模型试验波浪爬高结果,发展透空式防波堤波浪爬高的预测公式.利用统计参数对3种方法发展的预测公式进行对比分析.结果表明:透空式防波堤背浪侧的波面变化滞后于迎浪侧,其最大波浪爬高小于迎浪侧,防波堤具有良好的消波效果;采用多项式回归方法与速度水头方法发展的预测公式能够在一定程度上实现对防波堤波浪爬高的预测,前者仅考虑了波高而忽略了其他波浪条件及防波堤结构参数对波浪爬升高度的影响,后者对波浪爬高的预测结果与试验值偏差较大,二者在实际应用过程中都存在一定的局限性;M5'模型树算法发展的波浪爬高预测公式利用无量纲参数综合了各项波浪要素以及防波堤的结构参数等,拥有良好的统计指数,能够更好地预测透空式防波堤的波浪爬高,具有较高的实际应用价值.

新型海上风电基础地基冲刷深度试验研究及床面剪切力分析

海洋环境作用下海上风电基础周围海床会产生显著冲刷,冲刷深度过大会严重影响风电结构体系的安全。复合筒型基础是一种新型的浅基础,其对冲刷的敏感性更大。以新型的海上风电复合筒型基础为研究对象,开展了波流作用下基础周围地基冲刷特征的物理模型试验,探究了基础周围海床的冲刷变化规律及最大冲刷深度,基于波流-复合筒型基础-地基相互作用的数值模型分析了海床表面剪切力的分布特征,考察了最大冲刷深度与最大床面剪切力的关联性。研究结果表明:波流作用下复合筒型基础最大冲刷位置位于基础后方、毗邻基础的位置,最大冲刷深度随波高、周期、流速的减小而减小,基础周围海床最大冲刷深度与其最大床面剪切应力的分布有一定的相关关系。

复合筒型风电基础单向流局部冲刷试验研究

复合筒型基础是一种新型的宽浅式海上风电基础,相对于桩基础等深基础,复合筒型基础周围地基的冲刷破坏对风机结构体系安全性的影响更加明显,因此,研究海流作用下复合筒型基础的冲刷特性很有必要。针对某工程实例,建设了冲刷试验场地,布置了典型测点,为复合筒型基础冲刷试验奠定了基础;采用系列比尺模型的方法,分别选取1:20、1:40、1:70三种比尺的模型,对海上风电复合筒型基础样机周围粉砂质海床的冲刷情况进行了试验研究;分析了各组试验冲刷平衡时间、模型周围冲刷坑的范围、最大冲刷深度,并且依据系列比尺模型试验原理计算出了实际工程中的冲刷深度。通过试验研究给出了实际工程复合筒型基础的最大冲刷深度,明确了单向流作用下复合筒型基础周围地基局部冲刷特性,填补了复合筒型基础冲刷试验研究的空白,为复合筒型基础的工程应用提供了指导。

循环荷载下复合筒型基础地基孔隙水压力变化及液化分析

复合筒型基础是一种新型的宽浅式基础型式。在风、波浪、海流等动力荷载的作用下,复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化对结构安全产生影响。模拟了复合筒型基础受到的风浪流荷载,并将风浪流荷载合理叠加,采用三维有限元方法分析了风浪流联合作用下复合筒型基础地基动力响应规律。同时对复合筒型基础内外地基孔隙水压力的变化规律及液化范围进行了系统分析,通过分析发现:复合筒型基础附近海床液化深度随着饱和度、渗透系数、波浪周期、水深的增大而增大,随着泊松比的增大而减小。

局部冲刷对复合筒基风电结构体系动力响应影响

建立风力机塔筒-复合筒型基础-冲刷地基的耦合动力分析模型,通过实测数据验证数值模型的准确性。基于已完成的复合筒基地基冲刷试验,在耦合动力模型中实现冲刷地基模型的准确建立,考虑局部冲刷后应力历史对剩余土体参数的影响,分析风力机结构体系的动力响应特征,将计算结果与不考虑冲刷影响的计算结果进行对比。结果表明:地基的冲刷使得风力机结构的自振频率降低,增大了复合筒基风力机结构体系运行的危险;考虑地基冲刷后复合筒基的运动速度有较明显的提升,提升幅度最大约为8%,因此在进行复合筒基风力机设计时,必须考虑地基冲刷对动力特性的影响;在局部冲刷对复合筒基风电结构体系动力响应影响的研究中可忽略冲刷后应力历史对土质参数的影响。

考虑波浪作用相位关系的复合筒型基础地基液化研究

复合筒型基础是一种新型的大尺寸海上风电基础。波浪荷载作用下基础挤压周围海床,同时海床表面受到波浪压力,这两种作用均会引起基础周围海床的液化,液化计算中是否考虑波浪荷载与波浪压力的相位关系对计算结果有影响。首先,基于绕射理论,推导出基础周围海床表面波浪压力的解析解,与复合筒型基础波浪荷载的解析解比较,得出波浪荷载与波浪压力相位关系的理论结果;然后,针对1∶60的复合筒型基础模型,在波浪水槽中研究波浪荷载与海床表面不同位置处波浪压力的相位关系,并与理论结果比较,验证理论方法的准确性;最后,在液化计算中考虑波浪荷载与波浪压力相位关系,并与不考虑相位关系的液化计算方法比较。通过计算发现,该文提出的方法能够更加准确地计算基础周围地基的液化深度,为大尺寸海洋建筑物地基安全性的准确评估提供依据。

水流对复合筒型基础波浪爬升影响机制的数值模拟研究

复合筒型基础(CBF)是一种新型的海上风电基础,当波浪海流与其大尺寸反弧段作用时,会产生复杂的波浪爬升现象,严重威胁基础外平台的安全,因此,有必要对波流作用下复合筒型基础的波浪爬升现象开展研究.首先,采用RNG k-ε模型建立了波流与复合筒型基础相互作用的数值水槽.其次,基于试验数据验证了数值模型的准确性.最后,探究了波流作用下复合筒型基础周围的波浪爬升规律,揭示了不同流速比U cw下水流对波浪爬升的贡献.研究发现:①波浪单独作用下复合筒型基础前方水体回落到最低点时,水质点的运动方向均为斜向下方,而在波流联合作用时,复合筒型基础前端形成漩涡,背面的水质点将朝着不同的方向进行扩散;②波浪单独作用时,复合筒型基础背浪面水体呈“公鸡尾”状,而波流联合作用时,复合筒型基础背浪面水体呈“双髻鲨”状;③当波陡参数为0.025时,流速比由0.46增大到0.59时,波浪爬升高度增大约0.55倍.

新型四导叶可变翼波浪能发电装置水动力性能研究

首先,建立三维数值波浪水槽,确定可变翼装置达到最优转动效果时导叶的最大张开角度;然后,在波浪水槽中进行试验考察波浪作用下可变翼装置的转动特点;最后,比较不同波浪条件下装置的转速,并总结影响转速的主要因素。通过数值模拟及试验研究发现:1)导叶最大张开角度达到39?时,装置达到最优的转动效果;2)波浪作用过程中可变翼装置的转速不稳定、波谷时刻叶轮位置处水质点的速度小于0.232 m/s时装置会出现间歇性停转;3)波高过小、周期过大、模型入水过深都会降低模型的旋转速度。

可变翼波浪能发电装置导叶水动力性能试验研究

针对可变翼装置导叶的简化模型设计试验;然后,分别考察波浪与旋转到叶轮不同位置处导叶的相互作用过程,明确波浪作用下导叶的摆动规律及不同位置处导叶对叶轮转动的贡献;最后,提出以导叶所受水平波浪荷载为目标的提高装置捕能效率的方法,并通过前期研究成果进行验证。通过试验研究发现,在波浪传播方向上转动到旋转轴位于导叶后方时的导叶对叶轮的转动起控制作用,此处的导叶在摆动过程中波谷时刻导叶所受水平波浪荷载由负向变为零,以导叶所受水平波浪荷载为目标的提高装置捕能效率的研究方法能较准确地给出装置捕能效率的改变效果。

复合筒基细砂地基波流冲刷过程及最大冲深研究

针对某工程实例,建立波流作用下复合筒型基础地基冲刷的试验平台;选取1∶40、1∶60的基础模型,研究波浪与水流共同作用下基础周围地基的冲刷过程及最大冲刷深度,并与水流单独作用下地基的冲刷特性进行比较;采用系列比尺模型的方法,给出实际工程复合筒基周围地基的最大冲刷深度。通过物理模型试验分析发现:波流作用下复合筒型基础后方的地基最先发生冲刷,最大冲刷位置出现在基础后方;区别于水流单独作用下的冲刷,在波流作用下冲刷平衡时基础周围不同位置的地基都发生冲刷;波流作用下地基的最大冲刷深度约为水流单独作用下地基最大冲深的2/3,且波流作用下最大冲深的位置较水流单独作用时更偏向模型下。

强降雨条件下城市回填土草坪径流系数的影响因子分析

城市建设产生的大量建筑垃圾被无序堆放,显著改变了下垫面条件,在暴雨条件下形成了城市草坪特殊的产流模式。为了充分利用雨水,防止过度浇灌草坪,必须明确其物理性质和蓄水能力。基于人工降雨模拟方法模拟了多种暴雨条件,测定了紫花苜蓿、早熟禾和冬青在不同地形和降雨条件下的径流系数。通过测定回填土壤的粒径组成,探讨小区尺度下降雨、坡长、坡度等因素对径流系数的影响。结果表明:(1)只要建设方法和填土来源相同,同一草坪的保水能力基本一致。(2)径流系数和蓄水能力随着降雨量的增加而增加,当降雨达到一定量级,植被倒伏将导致蓄水能力的下降。(3)恒定降雨强度下,降雨历时延长导致降雨阈值的下降,但径流系数的增长率也因此降低。(4)坡长变化对降雨阈值的影响较小,但单位面积的径流量随坡长的增大呈先增大后减小的变化趋势。(5)10°坡面上的降雨阈值最低,同等降雨条件下径流系数最高,径流系数和坡度的关系在10°附近存在拐点。

透射边界-地基-风电结构地震响应与破坏模式

近海风力发电结构是由无限域地基、基础及上部结构组成的体系,有限域透射人工边界和地震动输入模式直接影响结构体系的动力响应。首先,建立透射人工边界-地基-基础-塔筒结构和固定边界-地基-基础-塔筒结构的有限元模型;然后,简要澄清了透射边界地震动输入之所以采用外力而不采取地震动物理量(加速度、速度和位移)的原因所在;最后,对给出的3种作用模式:(1)固定边界地震动输入,(2)只考虑外源输入波作用,(3)同时考虑外源输入波和内源振动的散射波作用,分别进行计算分析和比较。通过数值计算并结合理论分析,(1)澄清了对透射边界采用外力进行地震激励输入的方法的原因,这种输入方法合理可靠,符合实际情况;(2)在地震波等效荷载的生成中,针对圆形横截面地基提出了一种阻尼力、刚度力的便捷性生成方法,大大减小了工作量;(3)从自身振动特点及阻尼设置角度,解释了地震作用下采用透射边界比采用固定边界时风电结构响应减小的原因;(4)指出了地震作用下透射边界地基模型在结构动力响应与倒塌计算中内源振动反射的不容忽视性。

水动力质量实效施加方法及地基-筒型基础-塔筒体系的地震敏感性研究

针对海上风电结构在有限元计算中水动附加质量的施加问题,提出了一种在ABAQUS软件中简便有效易于实现的方法,可以提高有限元分析的前处理效率;建立有限元模型,分析有、无考虑水动附加质量和不同边界条件对海上风电结构自振特性的影响,并从力学角度进行分析;利用有限元模拟地震动作用下的海上风电结构塔筒响应,并对水动附加质量和边界条件进行敏感性分析。通过数值计算并结合理论分析表明:提出的水动附加质量施加方法是合理实用的;水动附加质量的施加使得结构固有频率减小,且随着阶数增大,固有频率减小的绝对值增大;边界条件对体系的模态参数影响比水动附加质量更显著,黏弹性透射边界条件下计算得到结构体系的各阶频率较固定边界均有比较明显的减小;黏弹性透射边界模型在地震动作用下的位移响应比固定边界模型大。分析结果对此类海上风电工程具有借鉴意义。

基于旧码头改造的钢管板桩结构静力分析

结合国内某港区散杂货泊位改造工程,对基于高桩码头改造所产生的新建钢管板桩结构进行数值分析。首先,建立数值模型,将传统板桩码头前墙结构受土压力作用的数值计算结果与理论计算结果进行比较,验证数值方法的准确性;其次,基于此数值方法建立研究土体边界选取的三维数值模型,分析土体的边界范围对码头结构应力的影响;最后,对钢管板桩结构进行运营荷载作用下的三维数值模拟,对结构的应力及位移进行分析。通过数值模拟及理论分析发现:在钢管板桩结构数值模型中,当土体边界达到60～80 m时,可以忽略土体的边界效应;在码头面设计荷载作用下,新建结构所受土压力和产生的位移小于传统的板桩码头结构。

半潜驳稳性现场快速评估方法研究

半潜驳是水利工程安装作业的重要装备,施工过程中半潜驳需经常上浮、下潜以满足装卸要求,其稳性值得关注。文章以半潜驳的船体表面文件、半潜驳分舱表与各舱室舱容表和载重件参数等为输入,采用基于非均匀有理B样条(NURBS曲面)的湿表面压力积分算法开发了半潜驳稳性评估程序OSTAB(Ocean university of China STABility assessment code),建立了快速的半潜驳船稳性安全评价方法。以“四航南海号”为研究对象,开展了其横向稳性评估工作。通过与装载计算书的数据进行对比发现,文章所提出的计算方法对于装载工况浮态、初稳性高度、静稳性力臂的计算结果均与装载计算书数据匹配较好,该方法能够较准确地评估半潜驳的稳性。