桅杆结构有限元模型修正与参数敏感性研究

基于台风“圆规”激励下的实测加速度响应识别了深圳356 m高气象梯度观测塔的模态参数,结合带精英策略的快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对气象塔有限元模型进行修正。结果表明:气象塔模态非常密集,且纤绳模态的参与程度较为显著。气象塔X向和Y向的基频分别为0.614 Hz和0.603 Hz,其前3阶弯曲模态阻尼比在1%~2%之间。塔身密度、纤绳弹模对塔身模态频率和振型有显著影响,高层纤绳的线质量和塔身弹模对其也有一定影响,但纤绳张力的影响较低。气象塔有限元模型修正后的风致响应高于修正前,并更接近实测结果,验证了修正模型的准确性。

基于气弹模型风洞试验的高耸桅杆风振响应特性

为了探究高耸桅杆结构风振响应特性,采用刚性节段加连接棒法制作了356 m高桅杆的气弹模型,通过风洞试验研究了桅杆结构的位移响应高度分布特征和模态参与特性,并分析了风速和风向的影响.结果表明,桅杆结构的位移响应随高度呈非线性变化,其最大平均和脉动响应均出现在顶部2层纤绳锚固点间的中间部位.桅杆结构的横风向响应基本与顺风向相当.风向改变对平均位移有一定影响,对脉动无明显影响.结构顺、横风向风振响应中前三阶模态振动能量具有相近量级,且风速变化会对桅杆结构的模态频率产生一定影响.结构气动阻尼均为正值,且随风速增加而增大.桅杆结构的顺风向风振系数除底部外,其他高度均要显著低于规范值.风速和风向的改变对桅杆中、上部的风振系数影响较小,仅在底部影响较为明显.

大气稳定度对边界层垂直风切变的影响

大气边界层垂直风切变是高层建筑、航空和风能利用等领域影响安全的重要因素,对大气垂直分布的研究具有重要实际价值。选用位于河北张家口地区的激光雷达测试场地的140 m测风塔数据,通过测风塔和激光雷达的同期外场测量,验证激光雷达与测风塔对垂直风切变的测量精度,研究大气稳定度对于垂直风切变的影响。结果表明:1)大气稳定度对风切变影响显著,风速切变、风向切变与大气稳定度的相关系数分别为0.48和0.54;2)风速切变随位温梯度的增加而增加,当位温梯度达到0.08 K·m^(-1)后,风速切变保持在0.35~0.40;3)位温梯度大于0时,风向随高度增加顺时偏转;位温梯度小于0时,风向随高度增加逆时针偏转;中性大气风向的垂直分布较为一致。通过测风塔和激光雷达的垂直观测建立了风速切变、风向切变与大气稳定度的关系模型,对风场垂直分布相关的研究与应用具有较好的参考价值。

基于高塔数据的山区丘陵与平原湖区风能参数差异分析

[目的]为促进风能资源开发的持续健康发展,为内陆地区风能资源的合理开发及利用提供科学依据,文章重点分析山区丘陵与平原湖区主要风能参数特征及差异。[方法]选用11个塔高为90~150 m的测风塔1整年观测资料,对湖北省山区、丘陵、平原及湖区等5种不同地形形态下的主要风能参数特征及差异进行探讨。[结果]分析结果表明:(1)各塔高层风速日变幅在1.0~2.3 m/s,山区丘陵地形下变幅明显大于平原湖区,且各层变化趋于一致,均为白天小晚上大,平原湖区低层风速日变化与高层特征相反,为白天大晚上小;(2)各塔综合风切变指数在0.055~0.328之间,在山区丘陵地形下大于平原湖区,风切变指数日变幅在0.063~0.378,变化特征为白天小晚上大,平原湖区风切变日变幅明显大于山区丘陵,大风情况下的风切变在山区丘陵地形下分布较为离散,平原湖区地形下则相对较为集中,基本稳定在0.1~0.2之间;(3)各塔高层有效风速段年平均湍流强度为0.13~0.18,山区地形下大于平原湖区,各塔湍流强度日变幅在0.07~0.15,变化特征均为白天大晚上小,但山区丘陵地形下变幅明显大于平原湖区。[结论]不同地形下的风能资源特征在动力和热力作用下表现出明显的时空变化差异,分析结果可为风能资源开发利用提供指导。

塔影效应对平均风速和湍流强度影响的外场试验研究

风场的准确测量在风工程中意义重大。测风塔是最常用的风场观测平台,而塔影效应是测风精度评估中需主要考虑的因素。基于我国3个不同区域测风塔1年的外场数据,研究了塔影效应对平均风速、湍流强度的影响,通过塔影效应影响因子(Tower Distortion Factor,TDF)和离散因子(Scatter Factor,SCF)量化分析了塔影效应的平均值和离散度。结果表明:塔体对下游气流影响明显,塔影效应可使平均风速降低15.5%、湍流强度增大26.1%;塔体对上游气流的阻挡效应弱于塔影效应,可使平均风速降低2.2%、湍流强度增大0.4%。塔影效应与平均风速、湍流强度的关系为负相关,相关系数为–0.864,线性拟合的斜率为–0.443。塔影效应对湍流强度的影响更显著,是对平均风速影响的2.257倍。在平均值上,平均风速TDF、湍流强度TDF的分布范围分别为0.0141~0.0314、0.0214~0.0385,塔影效应对平均风速和平均湍流强度影响的贡献分别为34.6%、49.0%;在离散度上,平均风速SCF、湍流强度SCF的分布范围分别为0.0179~0.0240、0.0648~0.0845,塔影效应对平均风速和平均湍流强度影响的贡献分别为10.5%、10.8%。塔影效应对平均湍流强度的影响高于对平均风速的影响,对二者离散程度造成的影响接近。

基于双向流固耦合的无拉索天线桅杆风致振动特性研究

为研究正六边形无拉索天线桅杆的风致振动特性,本文进行了基于双向流固耦合的数值模拟研究。建立了无拉索天线桅杆固体网格及外流场重叠网格三维有限元模型,利用ANSYS Workbench搭建基于Transient、Fluent和System Coupling的双向流固耦合仿真系统,对不同风速下桅杆的横向、顺风向振动位移及受力进行了分析,并运用Model模块计算了桅杆前六阶固有频率及其对应模态。结果表明:无拉索天线桅杆在风速U=13.5 m/s时会发生振动形式转变,振动形式从第一阶模态转变为第一阶与第二阶混合模态,横向振幅在此风速下出现极小值;桅杆受到的顺风向阻力数值模拟结果与经验公式基本相符,对比误差不超过8.5%;无拉索天线桅杆尾流主涡的交替摆动是其受到脉动横向风载的主要原因。

桅杆长径比对有限长锥台形捕能柱涡激横向摆动特性的影响

无叶片风力机是利用捕能柱的风致横向摆动收集风能并将其转换成电能的装置。通过引入桅杆结构并将其与有限长锥台型捕能柱构成一个捕能系统,在建立有限长锥台型捕能系统简化模型的基础上,推导了与捕能系统几何形状相关的无量纲结构系数计算式,探讨了桅杆长径比对有限长锥台型捕能柱涡激摆动特性及捕能效率的影响。所得结果表明,桅杆结构的引入能有效地提升有限长捕能柱的涡激横向摆幅峰值及捕能效率,且其均随桅杆长径比的增大呈现先增大后减小的趋势。与无限长捕能柱结构相比,在桅杆长径比为6.67时有限长捕能柱的能量收集效率提升了44.8%;增大桅杆的长径比会使锁频区间增宽,但捕能系统的固有频率会减小;对于给定的捕能系统存在一个与其相匹配的最佳桅杆长径比。所得结论对于无叶片风力机的设计与实际工程应用具有重要的指导作用。

天津沿海地区测风塔不同高度风速特征

利用天津市东部沿海地区汉沽、大港测风塔2017-2019年观测数据,统计分析了测风塔不同高度风速的时间变化特征,对30~100 m风速与10 m风速的关系以及风切变指数的变化规律进行了探讨。结果表明:各个高度上风速均具有明显的季节变化特征,春季风速最大,且最易出现大风天气,平均风速、大风日数及大风强度均达到最高;夏秋季转换期风速最小。风速具有明显的日变化特征,午后各个高度的风速均达到最大值。相关分析表明,30~100 m风速与10 m风速表现出显著的正相关关系。各高度与10 m高度的风速之差、风切变指数呈现出相似的日变化特征,即午后海风盛行阶段两者均最小。此外,通过对比两个测风塔风速的变化特征发现,汉沽平均风速更大,大风天气发生频次更多,强度更强,且风速的日变化和海陆风变化特征更加明显。

某大厦楼顶桅杆天线涡激振动控制分析

某超高层大厦在无地震和强风时发生异常振动,大厦内人员振感强烈。初步判断是楼顶桅杆天线发生涡激共振,并引发主体结构高阶振型共振效应。计算桅杆天线顶部风速并与各阶振型的涡激振动临界风速对比,判断桅杆天线在特定风场条件下发生频率为2.11Hz的涡激共振,与现场实测结果基本吻合。建立大厦结构的有限元模型,计算桅杆天线涡激共振荷载并以正弦波荷载的形式输入到模型中,分析不同输入角度下主体结构的动力响应情况。结果表明,桅杆天线2.11Hz的涡激共振引发主体结构高阶振型共振响应;沿135°或315°输入正弦波荷载时动力响应最大;主体结构的动力响应沿楼层呈波动形态;峰值加速度响应满足中国规范限值,但大于日本风振舒适度规范H-90级别限值,导致了显著的振感。对桅杆天线设计了三个振动控制方案,输入不同频率的正弦波荷载,分析改造后的桅杆天线对正弦波荷载频率的敏感性。结果表明,所提出的三个方案均能有效减小主体结构和桅杆天线的动力响应,且提高了最不利正弦波荷载频率,降低了桅杆天线发生涡激共振的概率。

一种中微尺度耦合方法在风资源评估中的应用

风资源评估过程中,在缺少实际测风数据的情况下完成风场的精细化模拟具有重要的工程意义。在微尺度风场模拟过程中,引入中尺度数据为风场提供真实的边界条件,实现了降尺度精细化风场模拟。结合测风塔推算发现:相较于传统的统一边界条件的设置,利用中尺度数据分扇区生成边界条件进行降尺度的平均风速的精度有较明显提升。此外,还利用中尺度数据作为虚拟测风数据,对风资源评估中的定向计算结果进行校正,完成对机位点风机发电量等计算,解决无测风数据时风资源评估困难的难题。案例分析结果证实了该方法的先进性与工程应用价值。

覆冰作用下拉线式测风塔的极限承载力分析

结构的极限承载能力是分析结构破坏的重要参数,为了分析覆冰作用下拉线式测风塔的破坏特征,采用静力非线性方法对覆冰作用下拉线式测风塔极限承载能力进行了分析。为了合理考虑覆冰荷载作用下荷载作用工况,根据规范考虑基本风压的共同作用。根据风荷载和覆冰荷载的变化特征,假设结构静力非线性分析过程中基本风压保持不变,只考虑覆冰荷载的增加,但是由于覆冰厚度的逐步增加,迎风面积会增加,从而风荷载也逐步增加。如果在每一个荷载子步都采用投影法计算迎风面积,则计算量非常大,为了提高计算效率,因此提出了一种基于投影面的迎风面积的简便计算方法,可以方便计算结构静力非线性分析增量子步风荷载,快速实现覆冰作用下拉线式测风塔的静力非线性计算。在此基础上确定结构的极限承载能力,并分析了结构破坏特征,为结构合理设计提供参考。

桅杆结构风振响应及控制研究综述

介绍了桅杆结构风振响应计算的几种常用方法 ,对各种方法的原理进行了较深入的阐述 ,通过比较说明了各种方法的优缺点 ;桅杆风振控制目前一般采用 TMD控制装置 ,但是其控制效果还难以定论 ,有待于进一步研究。

一体化海上测风塔浮运拖航性态分析

针对海上测风塔结构在浮运拖航过程中的动态响应特性问题,本文对一种可自浮拖航的新型测风塔的结构设计与拖航过程的运动特性进行了分析。采用DNV SESAM程序建立了水动力模型,对湿拖拖航过程的水动力特性进行了数值模拟分析。结果表明:该结构具有较好的自浮拖航稳性;基础型式可根据上部塔架高度合理选择;拖航因素中波高对运动响应影响较大;控制缆绳长度和采取顶浪拖航方式有利于保持拖航稳性。分析方法和结果为类似海上风电基础结构的拖航性态控制提供了参考。

风电场短期功率预测水平提升举措措施研究与实例分析

风力发电作为一种随机性、波动性、反调节性的新能源电源形式,随着其电网渗透率逐年攀升,给电网安全调度运行带来了安全隐患,尤其电网峰谷时段的调峰工作受到了安全性和经济性的双重压力。以提升风电场功率预测准确率、降低电网安全运行风险为出发点,综合分析了影响短期功率预测水平的技术因素和非技术管理因素,提出了预测水平提升的关键举措措施,并以实际工作案例为样本,验证了预测水平提升关键举措措施的有效性和实用性。

考虑非高斯和宽带修正的桅杆风振疲劳分析

基于结构随机疲劳理论 ,给出了桅杆结构随机风振疲劳的分析方法 .在分析过程中考虑了桅杆结构在风荷载作用下响应的非高斯性以及宽带的影响 .得到了由非高斯性对桅杆疲劳引起的修正系数λ1和宽带因素引起的修正系数λ2 .最后 ,结合一个工程实例 ,给出了桅杆结构疲劳寿命计算的详细过程 .结果表明 ,与其他频域内的计算方法相比 ,该理论计算结构累积疲劳损伤的结果更加精确 .

桅杆结构随机风振疲劳研究

桅杆结构随机风振疲劳是宽带随机疲劳过程。本文基于结构宽带随机疲劳理论 ,给出桅杆结构随机风振疲劳分析方法。结合桅杆模型风洞试验结果 ,得出桅杆结构宽带随机疲劳分析的谱宽参数ε和修正系数λ。最后 ,通过一个工程算例 ,进一步给出用等效应力法、等效窄带法及雨流法计算桅杆结构风振疲劳分析过程 。

考虑纤绳振动桅杆结构的随机风振分析

在4振型自由度索单元的基础上，推导出在强迫振动下纤绳动张力实用计算公式和振动桅杆的扩阶计算方程。推导过程中，考虑了纤绳在空间的耦合振动以及纤绳和杆身的相互作用。通过空间风荷载的模拟，给出计算实例。计算结果表明。

风雨场中舰船桅杆动力学特性研究

当舰船在风雨天气中航行时,桅杆的流场环境发生变化,为了确定此时桅杆所受流体载荷,应采用气液两相流的分析方法.利用计算流体力学软件进行数值模拟,研究了风雨场中桅杆受到的定常和脉动载荷以及流体绕流后漩涡的脱落形式,分析了在不同雷诺数和不同攻角的条件下,定常压力、脉动压力和斯特劳哈尔数的变化趋势,并与单相流的分析结果进行对比.通过分析发现,由于雨滴的加入增强了水流的扰动,风雨场条件下桅杆动力学特性发生了变化.

综合集成桅杆力学特性研究

以八边形综合集成桅杆为研究对象,系统研究了综合集成桅杆的风载荷特性,桅杆在风载荷下的力学特性及桅杆的固有振动特性。计算了桅杆在设计风速下的风载荷,得到了桅杆受风时平均压力和脉动压力的变化规律,并据此提出了综合集成桅杆结构分析的外载荷计算公式。通过桅杆的结构动力分析,证明了综合集成桅杆在设计风速下运动不会发生共振现象。通过桅杆的模态分析,提出了综合集成桅杆结构设计中应重点考虑的问题。研究旨在为综合集成桅杆的结构设计提供参考。

桅杆结构风振系数研究

基于随机风振理论,推导了桅杆结构杆身和纤绳风振系数计算公式;结合高耸结构设计规范的修订,分析了原规范杆身风振系数计算公式存在的问题;基于新荷载规范的改动,给出了杆身风振系数计算方法,更新了纤绳风振系数计算参数表格;通过算例分析发现,杆身振型可按无风状态计算且计算杆身风振系数时可只考虑前四阶振型的贡献;时程分析结果表明,杆身各段取四点计算风振系数的方法精度较好,计算简便;由于新荷载规范提高了脉动风荷载的峰值因子和湍流度,纤绳风振系数增大约20%。