单桩海上风力涡轮机在空气-水动力相互作用下的动态响应

《Ocean Engineering》：Dynamic response of a monopile offshore wind turbine under aero-hydrodynamic interaction

本研究建立全耦合数值模型，分析风-浪-流共同作用下海洋风电机组的动态响应。结果表明风荷载主导全局响应，浪荷载显著影响泥线剪力，流荷载影响较小；随机风浪过程导致结构响应大幅波动，17m/s平均风速下泥线剪力最小值仅为最大值的58.2%，凸显确定性设计的局限性，需纳入环境随机性评估。

　　在海洋环境中，风力涡轮机需要应对复杂的环境载荷。准确量化每个载荷组件的贡献，并评估海洋环境的固有随机性，对于结构设计和可靠性评估至关重要。本研究建立了一个完全耦合的数值模型，以研究在风、波浪和洋流联合载荷作用下，单桩支撑的风力涡轮机的动态响应。为了分离各个载荷组件的影响，设计了一系列系统的载荷案例，包括四个控制场景和十八种单一变量的环境条件。研究结果表明，风载荷是主导全局动态响应的关键因素，而波浪载荷则对前后的泥线剪切力有显著影响。相比之下，洋流载荷的影响则微乎其微。此外，通过在不同平均风速条件下进行六十次随机风浪过程的模拟，对风浪随机性的影响进行了严谨的评估。分析显示，这种随机性会导致极端结构响应的显著变化。值得注意的是，在平均风速为17米/秒的情况下，前后的泥线剪切力最小值可以达到不同随机模拟中最大值的58.2%。这些发现突显了确定性设计方法可能带来的潜在风险，并强调了在风力涡轮机结构设计和安全性评估中纳入环境载荷随机性的必要性。

随着化石燃料资源的持续枯竭和全球气候变化带来的挑战日益加剧，能源系统的转型已经引起全球范围内的广泛关注。在工程技术的快速发展推动下，海洋能源和海上风电成为这一转型的重要组成部分，极大地拓展了可再生能源的格局。在这些能源形式中，海上风电因其高风速、低湍流强度、零排放和占用极少陆地等优势，近年来得到了特别的关注并迅速发展。目前，为了降低能源平准化成本（LCOE），人们正在通过部署大规模海上风力涡轮机和建设大型风电场来实现这一目标。然而，大型海上风力涡轮机的叶片和塔筒通常较为细长且灵活，大量质量集中在叶片-塔筒连接处。因此，结构载荷和位移被视为评估风力涡轮机系统安全性和可靠性的关键指标。鉴于实际海洋环境中同时存在风、波浪和洋流，对海上风力涡轮机结构的复杂动态响应进行全面研究，对于确保结构设计的稳健性和风力涡轮机系统的安全、长期运行至关重要。

近年来，关于海上风力涡轮机叶片和塔筒在气动载荷作用下的动态响应进行了大量研究。一方面，研究者关注于入射风场特性对涡轮机动态行为的影响。他们系统地探讨了外部风参数，如湍流强度、风速剖面（风剪切）和风况（稳定、极端或阵风）如何影响结构动态响应。另一方面，另一条研究路径则集中于涡轮机特有的运行特性。通过将数值模拟与风洞实验相结合，研究者探索了运行参数，特别是叶片偏转角、跨向位置和偏航方向如何影响风载荷传递和由此产生的结构动态响应。尽管这些研究在一定程度上揭示了海上风力涡轮机在孤立风或波浪载荷作用下的关键动态特性，但大多数研究仍局限于对个别环境载荷的局部结构响应。因此，这种单一载荷分析无法捕捉到由风、波浪和洋流联合作用引发的全面耦合动态行为。

在实际的海上环境中，风力涡轮机会长期暴露于风、波浪和洋流的综合作用下，这可能会产生显著的倾覆力矩，并在塔筒和机舱连接处引起较大的位移。为了考虑不同环境条件对涡轮机部件的影响，研究者开发了三阶段单桩海上风力涡轮机模型（土壤、水下和水上部分），以研究塔筒位移的分布情况。虽然这种方法考虑了风和波浪的联合作用，但研究主要集中在塔筒特有的因素，未能全面分析环境载荷的贡献。此外，一些研究将风载荷从外部软件计算后导入ABAQUS，以分析在风浪联合载荷作用下的单桩动态；然而，通过将复杂的风载荷简化为塔筒上的等效集中力，这些研究未能充分捕捉风-浪-结构的相互作用。同样，一些研究使用计算流体动力学（CFD）来分析在聚焦波浪和洋流作用下的单桩载荷，但仅考虑了波浪和洋流的影响。一些研究则构建了基于OpenFAST联合模拟框架的多体动力学模型，以分析在运行和停机状态下的结构响应；然而，所使用的停机风速低于涡轮机的切断风速，导致风载荷被低估，限制了对真实停机响应的再现。此外，一些研究通过缩尺实验来分析在风浪作用下的塔顶位移和基础载荷响应；然而，这些研究使用了规则波浪，过于理想化，并忽略了涡轮机旋转的影响。还有一些研究在风浪洋流联合作用下进行了缩尺实验；虽然风、波浪和洋流被同时考虑，但研究仅关注于单桩基础载荷，未对整个涡轮机的动态行为进行分析。表1总结了现有的研究。总体而言，尽管已有研究在一定程度上推动了对海上风力涡轮机在单独或联合环境载荷作用下的响应的理解，但对于在风浪洋流联合作用下整个涡轮机动态行为的系统性研究仍较为有限，且不同环境载荷对各个涡轮机部件动态响应的贡献尚未得到清晰揭示。

在海洋环境中，风和波浪过程的组合几乎是无限的。现有的关于海上风力涡轮机在风浪联合作用下的研究大多关注于风和波浪的大小与方向对涡轮机动态响应的影响，而对风浪过程时间序列对涡轮机动态响应的影响关注不足，相关研究仍较为稀缺。一些研究指出，不同随机组合的风和波浪过程会导致涡轮机响应的变化，但其背后的机制尚未进一步阐明。鉴于目前研究在风浪时间序列对涡轮机动态响应影响方面的空白，本研究系统地探讨这一问题，以加深对随机风浪过程如何影响涡轮机动态的理解。

基于单桩基础在工程应用中的广泛性和代表性，本研究聚焦于在风、波浪和洋流联合作用下，单桩支撑的海上风力涡轮机模型的动态响应特性。本研究定量评估了风、波浪和洋流载荷对单桩支撑涡轮机关键部位结构力和动态运动的贡献。同时，对在联合载荷条件下，特定载荷组件变化对结构动态响应的敏感性进行了系统分析。此外，还研究了风浪随机性对整个风力涡轮机系统动态响应的影响，从而进一步揭示环境载荷之间的相互作用机制。

在实际应用中，风力涡轮机的结构响应受到多种环境因素的共同作用，其中风、波浪和洋流是主要的载荷来源。风载荷主要由风速、风向和风场的湍流特性决定，其对涡轮机的动态响应具有决定性影响。波浪载荷则主要由波浪的高度、周期和方向等参数决定，其对涡轮机基础结构的响应尤为显著。洋流载荷虽然在某些情况下也会影响涡轮机的结构，但由于其强度通常较低，其对整体动态响应的影响相对较小。因此，研究需要在这些因素之间建立全面的耦合模型，以准确反映其对涡轮机结构的影响。

本研究采用的数值模型基于美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的OC3单桩海上风力涡轮机。该风力涡轮机系统由一个5兆瓦的水平轴风力涡轮机（HAWT）、塔筒和单桩基础结构组成，并被广泛用于全球范围内的各种风能研究。该涡轮机是一个传统的迎风、变速、变桨三叶片HAWT，其设计具有较高的工程适用性和代表性。通过该模型，研究者可以系统地分析风、波浪和洋流联合作用下的结构响应，并进一步探讨其在不同环境条件下的变化趋势。

在模型验证过程中，研究者从数值模拟中提取的风和波浪场数据与相应的标准谱模型进行了对比，以验证数值模型的可靠性。验证结果如图4所示。图4(a)展示了在平均为7米/秒的风速条件下，塔筒高度处x方向风速功率谱密度与IEC Von Karman各向同性模型（IECVKM）理论湍流谱的对比。图4(b)则展示了在相同条件下，波浪的功率谱密度与理论谱的对比。通过这些验证，研究者确保了模型在模拟风浪洋流联合作用下的准确性，并为后续分析提供了可靠的基础。

在结果与讨论部分，研究者重点关注了风力涡轮机叶片根部和单桩基础泥线处的载荷，以及塔顶处的运动。之所以如此，是因为在风的作用下，风力涡轮机叶片根部承受主要的气动载荷，同时，叶片、机舱和上部塔筒的气动载荷会向下传递至支撑结构。此外，波浪和洋流的水动载荷也会对单桩基础结构产生影响。因此，通过分析这些关键部位的载荷和运动，可以全面评估风力涡轮机在不同环境条件下的结构响应。

研究还探讨了在联合载荷条件下，特定载荷组件的变化对结构动态响应的敏感性。例如，风速的变化可能对塔顶位移产生显著影响，而波浪周期的变化可能对泥线处的剪切力产生较大波动。通过这些分析，研究者能够识别出哪些载荷参数对结构响应具有更高的敏感性，从而为优化设计和提高可靠性提供依据。

此外，研究还评估了风浪随机性对整个风力涡轮机系统动态响应的影响。通过在不同平均风速条件下进行六十次随机风浪过程的模拟，研究者发现风浪的随机性会导致结构响应的显著变化。例如，在平均风速为17米/秒的情况下，泥线处的剪切力最小值可以达到不同随机模拟中最大值的58.2%。这一结果表明，风浪的随机性在一定程度上会影响涡轮机的结构安全，因此在设计和评估过程中必须充分考虑这一因素。

综上所述，本研究通过建立一个完全耦合的数值模型，系统地分析了风、波浪和洋流联合作用下，单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。研究结果表明，风载荷是主导全局动态响应的关键因素，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。洋流载荷的影响相对较小，但在某些情况下仍不可忽视。此外，风浪的随机性对结构响应的影响较为显著，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要充分考虑环境载荷的复杂性和不确定性。由于风、波浪和洋流的联合作用可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模拟和实验研究，识别关键载荷参数的影响，并优化结构设计以提高其可靠性。同时，研究者还需要关注风浪过程的时间序列对涡轮机动态响应的影响，以更准确地评估其在不同环境条件下的行为。这不仅有助于提高风力涡轮机的安全性，还能推动海上风电产业的可持续发展。

在本研究中，通过构建一个完全耦合的数值模型，研究者能够系统地分析风、波浪和洋流对单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。这种模型能够同时考虑多种环境载荷的作用，并识别其对结构响应的影响。此外，通过在不同平均风速条件下进行六十次随机风浪过程的模拟，研究者能够评估风浪的随机性对结构响应的影响，并为优化设计提供依据。这些研究结果表明，风载荷在很大程度上决定了涡轮机的全局动态响应，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。因此，在结构设计过程中，需要充分考虑风载荷的主导作用，并合理评估波浪载荷的影响。

同时，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。此外，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

在实际应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷的组合可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模型进行分析。同时，研究者还需要通过实验证据来验证模型的可靠性，并确保其能够准确反映实际环境条件下的结构行为。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

在本研究中，通过构建一个完全耦合的数值模型，研究者能够系统地分析风、波浪和洋流对单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。这种模型能够同时考虑多种环境载荷的作用，并识别其对结构响应的影响。此外，通过在不同平均风速条件下进行六十次随机风浪过程的模拟，研究者能够评估风浪的随机性对结构响应的影响，并为优化设计提供依据。这些研究结果表明，风载荷在很大程度上决定了涡轮机的全局动态响应，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。因此，在结构设计过程中，需要充分考虑风载荷的主导作用，并合理评估波浪载荷的影响。

此外，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。同时，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷的组合可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模型进行分析。同时，研究者还需要通过实验证据来验证模型的可靠性，并确保其能够准确反映实际环境条件下的结构行为。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

在本研究中，通过构建一个完全耦合的数值模型，研究者能够系统地分析风、波浪和洋流对单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。这种模型能够同时考虑多种环境载荷的作用，并识别其对结构响应的影响。此外，通过在不同平均风速条件下进行六十次随机风浪过程的模拟，研究者能够评估风浪的随机性对结构响应的影响，并为优化设计提供依据。这些研究结果表明，风载荷在很大程度上决定了涡轮机的全局动态响应，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。因此，在结构设计过程中，需要充分考虑风载荷的主导作用，并合理评估波浪载荷的影响。

此外，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。同时，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

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此外，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。同时，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷的组合可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模型进行分析。同时，研究者还需要通过实验证据来验证模型的可靠性，并确保其能够准确反映实际环境条件下的结构行为。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

在本研究中，通过构建一个完全耦合的数值模型，研究者能够系统地分析风、波浪和洋流对单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。这种模型能够同时考虑多种环境载荷的作用，并识别其对结构响应的影响。此外，通过在不同平均风速条件下进行六十次随机风浪过程的模拟，研究者能够评估风浪的随机性对结构响应的影响，并为优化设计提供依据。这些研究结果表明，风载荷在很大程度上决定了涡轮机的全局动态响应，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。因此，在结构设计过程中，需要充分考虑风载荷的主导作用，并合理评估波浪载荷的影响。

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在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷的组合可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模型进行分析。同时，研究者还需要通过实验证据来验证模型的可靠性，并确保其能够准确反映实际环境条件下的结构行为。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

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此外，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。同时，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷的组合可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模型进行分析。同时，研究者还需要通过实验证据来验证模型的可靠性，并确保其能够准确反映实际环境条件下的结构行为。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

在本研究中，通过构建一个完全耦合的数值模型，研究者能够系统地分析风、波浪和洋流对单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。这种模型能够同时考虑多种环境载荷的作用，并识别其对结构响应的影响。此外，通过在不同平均风速条件下进行六十次随机风浪过程的模拟，研究者能够评估风浪的随机性对结构响应的影响，并为优化设计提供依据。这些研究结果表明，风载荷在很大程度上决定了涡轮机的全局动态响应，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。因此，在结构设计过程中，需要充分考虑风载荷的主导作用，并合理评估波浪载荷的影响。

此外，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。同时，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷的组合可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模型进行分析。同时，研究者还需要通过实验证据来验证模型的可靠性，并确保其能够准确反映实际环境条件下的结构行为。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

在本研究中，通过构建一个完全耦合的数值模型，研究者能够系统地分析风、波浪和洋流对单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。这种模型能够同时考虑多种环境载荷的作用，并识别其对结构响应的影响。此外，通过在不同环境条件下进行系统性的模拟，研究者能够评估风浪的随机性对结构响应的影响，并为优化设计提供依据。这些研究结果表明，风载荷在很大程度上决定了涡轮机的全局动态响应，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。因此，在结构设计过程中，需要充分考虑风载荷的主导作用，并合理评估波浪载荷的影响。

此外，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。同时，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷的组合可能导致结构响应的显著变化，因此需要通过系统性的数值模型进行分析。同时，研究者还需要通过实验证据来验证模型的可靠性，并确保其能够准确反映实际环境条件下的结构行为。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。

在本研究中，通过构建一个完全耦合的数值模型，研究者能够系统地分析风、波浪和洋流对单桩支撑的海上风力涡轮机的动态响应。这种模型能够同时考虑多种环境载荷的作用，并识别其对结构响应的影响。此外，通过在不同环境条件下进行系统性的模拟，研究者能够评估风浪的随机性对结构响应的影响，并为优化设计提供依据。这些研究结果表明，风载荷在很大程度上决定了涡轮机的全局动态响应，而波浪载荷则对泥线处的剪切力产生显著影响。因此，在结构设计过程中，需要充分考虑风载荷的主导作用，并合理评估波浪载荷的影响。

此外，研究还发现，风浪的随机性可能导致结构响应的显著变化，因此在设计和评估过程中必须考虑这一因素。通过这些研究，可以为海上风力涡轮机的结构设计和安全性评估提供更全面的依据，并推动相关技术的发展。同时，研究者还通过系统的载荷案例设计，分离各个载荷组件的影响，从而更准确地评估其对结构响应的贡献。这些分析结果有助于优化风力涡轮机的结构设计，并提高其在复杂环境下的可靠性。

在实际工程应用中，风力涡轮机的结构设计需要考虑多种环境载荷的综合作用，包括风、波浪和洋流。这些载荷