单桩支撑的海上风力涡轮机在波浪和风作用下的高次谐波共振响应

《Ocean Engineering》：Higher-harmonic resonance response of a monopile-supported offshore wind turbine in waves and wind

风浪耦合作用下单桩支撑近海风电机组动态响应分析。摘要：本研究开发了耦合式aero-hydro-soil-monopile模型，通过非线性水动力模型、BEMT气动模型和土壤-单桩交互模型，分析风浪共同作用下的动态响应。验证表明所提模型能准确捕捉高阶谐波波力（第三谐波误差<5%），在第三谐波频率接近结构自然频率时，单桩位移、速度和加速度的幅值超过线性模型估计的3.1倍和4.0倍，揭示高阶谐波共振效应显著。时间频谱分析显示，不规则波下0.4Hz高频响应导致转轴振动加剧，超过10%时间出现共振状态。

　　本研究开发了一种耦合气动-水动-土壤-单桩模型，用于分析在风浪联合作用下，由单桩支撑的海上风电设备（OWT）的动态响应。该模型整合了非线性水动力模型、基于叶片元素动量理论（BEMT）的气动模型以及经验性的土壤-单桩相互作用模型。研究发现，所提出的气动和水动模型通过与底部固定的NREL 5-MW风力发电机的气动特性以及固定单桩上的高次谐波波浪力的对比验证，表现出与参考数据和实验测量的良好一致性。此外，通过时间频率特性分析，研究发现高次谐波分量在OWT的动态响应中起着重要作用，特别是在非线性波浪力作用下，结构响应的峰值高于线性估计值。这表明在高波浪陡度和高次谐波近共振条件下，非线性高次谐波波浪载荷对结构响应具有显著影响，这对海上风电设备的安全设计至关重要。

海上风能作为全球电力供应的重要来源，其发展对于实现2050年的净零排放目标具有重要意义。根据国际可再生能源机构（IRENA）的数据，全球海上风力发电机的总装机容量预计将在2018年的23吉瓦基础上增长至2030年的228吉瓦，并可能在2050年达到约1000吉瓦。在众多基础类型中，单桩基础因其结构简单、成本较低等优点，仍然是海上风力发电机最常用的基础解决方案，特别是在浅水至中等水深区域。然而，传统的数值模拟方法通常使用线性水动力模型或细长体公式来计算波浪载荷，这些方法无法准确捕捉非线性载荷的贡献。而一些非线性水动力模型，如FNV理论和基于Stokes型力模型的Stokes-GP模型，虽然在某些情况下表现良好，但仍然存在一定的局限性。因此，开发一种能够准确反映非线性高次谐波波浪载荷影响的耦合模型，对于海上风电设备的动态响应分析和安全设计具有重要意义。

本文提出的耦合模型结合了非线性水动力模型、BEMT气动模型和经验性的土壤-单桩相互作用模型，旨在为评估在风浪联合作用下的单桩支撑的海上风电设备的动态响应提供可靠的工具。研究结果表明，非线性高次谐波波浪载荷对结构响应有显著影响，特别是在高波浪陡度和高次谐波近共振条件下，这种影响尤为突出。此外，研究发现，当波浪频率接近结构自然频率的三分之一时，第三谐波响应尤为显著。对于不规则波浪，研究通过小波变换分析了其时间频率特性，发现高次谐波分量在特定时间点对海上风电设备的动态响应起主导作用，从而引发瞬时的“环形响应”现象。超过概率图显示，当前结果在最大风轮速度和加速度方面，分别超过线性估计值的3.1倍和4.0倍，进一步验证了非线性高次谐波波浪载荷的重要性。

为了验证所提出的气动模型，研究采用底部固定的NREL 5-MW风力发电机作为案例进行分析。该风力发电机具有63米的叶片半径和1.5米的轮毂半径，其额定风速为11.4米/秒，轮毂高度为90米。通过将叶片划分为多个跨度元素，研究模拟了风力发电机在不同风速下的气动特性，并与FAST（现在称为OpenFAST）模型进行了对比。结果表明，当前模型与FAST模型的预测结果在大多数情况下表现出良好的一致性，仅在低风速和高叶尖速比（TSR）条件下存在轻微的偏差。这表明当前的气动模型能够较为准确地预测风力发电机的气动性能。

为了验证所提出的水动力模型，研究采用固定单桩在有限水深条件下的高次谐波波浪力作为测试案例。通过对比实验数据，研究发现当前模型在小波浪陡度下与实验测量结果高度一致，但在大波浪陡度下，高次谐波分量的贡献逐渐增加，导致与实验数据之间出现一定的偏差。然而，与FNV理论相比，当前模型的预测结果更为接近实验数据，特别是在第三谐波分量方面。研究还分析了不同波浪陡度下高次谐波分量对波浪力的贡献，发现对于较长的波浪（即较小的波浪数），高次谐波分量的作用更加显著。这表明，非线性高次谐波波浪载荷在不同波浪条件下对结构响应具有重要影响，特别是在高次谐波接近结构自然频率的情况下，这种影响尤为突出。

在数值模拟中，研究考虑了风浪联合作用下的海上风电设备的动态响应，包括风轮前后的位移、速度和加速度。通过分析不同波浪周期下的时间序列和超过概率图，研究发现当波浪周期为7.8秒时，第三谐波响应最为显著，这主要是因为第三谐波频率接近结构的自然频率，从而引发显著的共振效应。此外，对于不规则波浪，研究通过小波变换分析了其时间频率特性，发现高次谐波分量在特定时间点对风轮速度和加速度具有主导作用，导致瞬时的“环形响应”现象。超过概率图进一步表明，当前模型在最大风轮速度和加速度方面，分别超过线性估计值的3.1倍和4.0倍，这表明非线性高次谐波波浪载荷对结构响应具有重要影响。

本文的结论表明，非线性高次谐波效应在海上风电设备的动态行为中不可忽视，特别是在大波浪陡度、长波浪或近共振条件下。所提出的耦合模型能够有效捕捉这些高次谐波效应，为海上风电设备在实际海况下的安全设计提供了关键的理论支持。然而，当前研究假设单桩、塔筒和叶片为刚性结构，并且单桩仅具有单一的俯仰运动模式，这与实际的柔性单桩和塔筒的多自由度运动模式存在一定的简化。未来的研究可以进一步考虑单桩和塔筒的柔性，通过耦合梁模型来更准确地模拟多自由度运动，从而提高模型的适用性和准确性。此外，研究还指出，非稳态湍流风的影响也应被纳入进一步的分析中，以全面评估海上风电设备在复杂环境下的动态响应。