偏航来流对吸力式桩基础支撑海上风电机组动力学性能影响的风洞试验研究

《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》：Effects of yawed inflow on the dynamic performance of suction caisson-supported offshore wind turbines via wind tunnel tests

　　

摘要
偏航来流在海风机运行期间常见，但其对吸盘沉箱基础风机动态行为的影响研究不足。本研究通过一系列风洞试验，研究了偏航角为 0°、15°、30°和 45°时偏航来流对吸盘沉箱基础风机动态响应的影响。结果表明，偏航放大了结构动态响应，平均位移、位移波动和加速度波动随偏航角增加而增加。偏航还降低了系统的固有频率和总阻尼比。考虑偏航因素时，原型机固有频率的变化范围进一步扩大，最小固有频率更接近 1P 共振区的安全边界，从而降低了频率安全裕度。此外，土压力测量表明，偏航显著影响吸盘沉箱的土结构相互作用，引起旋转中心系统性迁移并增强横向土压力响应。这些发现强调了在运行条件下吸盘沉箱基础风机的动态评估和频率设计中明确考虑偏航影响的必要性。

引言
近年来受海上风电快速发展的驱动，越来越多的海上风机部署于海洋环境，导致在复杂海上条件下运行的风机数量增加 [1]。为确保这些风机的安全可靠运行，需要适当的基础系统提供结构支撑和稳定性，使基础选择成为关键的工程问题 [2]。在可用的基础解决方案中，吸盘沉箱引起了越来越多的关注，并已逐步应用于工程实践，特别是在浅水区 [3]，[4]。在这种复杂的浅海环境中，风向的固有变异性通常使风机在正常运行期间承受持续的偏航来流条件 [5]。来流风向与转子轴之间的这种偏航来流引入了不对称气动激励和方向依赖性载荷，显著影响风机的动态行为 [[6]，[7]，[8]]。因此，详细实验研究偏航来流对吸盘沉箱基础风机动态性能的影响，对于提高对其结构响应特性的理解并支持在现实海上条件下的安全运行至关重要。

现有研究已通过实验测量和数值模拟广泛研究了偏航来流对水平轴风机气动和动态行为的影响。风洞实验表明，偏航来流可显著改变气动载荷的分布和变异性，特别是通过引入明显的侧向力并放大载荷波动。例如，Aju 等人表明，偏航运行导致塔筒上的侧向气动载荷显著增加，与对齐来流相比，30°偏航角下的侧向力波动幅度增加约 120%，从而加剧了对称载荷和疲劳损伤潜力 [9]。除了载荷幅值变化外，偏航来流还被证明会影响风机响应的变异性及频谱特性。Castellani 等人结合风洞实验和气弹模拟分析了偏航角为 0°、±22.5°和±45°时的风机行为 [10]。他们的结果表明，虽然偏航降低了风向上的平均推力，但同时增强了横向扰动并增加了推力变异性，伴随塔顶测量力和加速度中塔影相关谱成分的显著增强。这些发现说明了从对齐来流下的近轴对称载荷向偏航条件下更具方向偏差和波动激励模式的转变。数值调查也为与偏航来流相关的气动机制和载荷特性提供了补充见解。利用 NVLM–VPM 框架，Lee 和 Lee 证明偏航来流破坏了转子气动载荷的轴对称性，导致诱导速度、有效攻角和气动力推力在方位角上的强烈变化 [11]。随着偏航角增加，转子盘迎风面和背风面扇区之间的不平衡变得更加明显，导致载荷不对称性增强和波动强度增加。Arabgolarcheh 等人使用基于力线模型的 CFD 方法报告了一致的趋势，发现将偏航角从 10°增加到 30°时，气动载荷振荡从平均载荷的约 5% 放大到近 20%，表明载荷变异性及相关不确定性大幅上升 [12]。总的来说，这些实验和数值研究表明，偏航来流从根本上改变了风机气动载荷的幅值和变异性，将原本准轴对称的运行状态转变为以更强载荷波动和增加不确定性为特征的方向偏差状态，这直接关系到结构安全和与疲劳相关的性能。

现有关于偏航运行条件的研究主要考察了其对风机气动和动态行为的影响。然而，目前对偏航来流的研究主要集中在风机的上部结构组件上，特别关注转子 - 机舱 - 塔筒系统的气动载荷分布和动态响应。在这些研究中，基础条件通常被理想化为刚性边界，这种简化处理可能会在一定程度上影响动态性能评估的准确性 [13]，尤其是在偏航来流等复杂运行条件下，结构动态响应往往更敏感。同时，偏航来流下的气动载荷在幅值、空间分布和波动特性方面表现出更大的复杂性，从而对整体结构系统的动态行为提出了更高的要求 [14]，[15]。以往研究表明，吸盘沉箱基础的动态行为，特别是其支撑刚度和阻尼特性，对水平载荷和载荷波动高度敏感，具有显著的土结构相互作用效应 [[16]，[17]，[18]，[19]，[20]，[21]，[22]]。然而，偏航运行条件下吸盘沉箱支撑风机的动态响应仍了解不足。在此背景下，有必要研究偏航来流下吸盘沉箱支撑风机的动态响应特性，以便更好地评估基础相关效应在复杂气动载荷条件下对风机整体动态性能的影响。

本研究通过一系列风洞试验，利用由风机上部结构、吸盘沉箱基础和周围土壤组成的集成物理模型，调查了偏航来流对吸盘沉箱支撑海上风机动态性能的影响。本研究的主要贡献在于，在统一的实验框架内，揭示了结构响应、系统动态特性和地面响应随偏航角变化的相互关联，并进一步评估了偏航对沉箱 - 土相互作用、固有频率变化范围、频率安全裕度以及基础旋转安全储备的影响。结果提供了在吸盘沉箱支撑风机的频率设计和基础安全评估中考虑偏航角的实验依据。本文组织结构如下。引言之后，第 2 节描述实验设置和测试案例。第 3 节呈现动态响应分析，包括机舱位移、机舱加速度、塔底弯矩，以及不同偏航角下的增量土压力和固有频率、阻尼比等动态特性。第 4 节讨论偏航角对原型风机动态性能的影响，确定极限条件，分析吸盘沉箱与地面的相互作用，并提出表征动态性能的回归关系，以及结构设计意义。第 5 节总结主要发现并提出未来工作建议。

章节片段
缩尺模型
缩尺模型的准确性关键取决于相似律的正确应用。为准确模拟吸盘沉箱支撑风机的动态性能，基于无量纲参数建立了适当的相似律，以确保结构动态特性、气动载荷和吸盘沉箱 - 土相互作用的相似性。基于特定的实验条件，所选无量纲控制参数的相似比

测试结果
在所有 16 个测试案例中，最终穿透深度与裙边长度之比在 0.88 至 0.92 之间，最大差异小于 0.04。这种一致性表明测试案例中的内部土塞条件相当。在此基础上，分析了不同偏航角下的动态响应（包括机舱位移、机舱加速度、塔底弯矩）和吸盘沉箱上的增量土压力。动态特性，

讨论
模型测试结果证明，偏航来流显著影响吸盘沉箱支撑风机的动态性能。为进一步考察 ??对原型风机动态性能的影响，这些结果（包括风速、基础旋转角、增量土压力、固有频率和阻尼比）根据相似律转换为原型尺度进行进一步讨论（如图 12 所示）。

结论
本文通过一系列风洞试验，实验研究了运行条件下偏航角范围为 0°至 45°时偏航来流对吸盘沉箱支撑风机动态性能的影响。可总结以下几个关键结论。
(1) 随着偏航角增加，机舱在 F-A 方向的平均位移、位移波动和加速度波动均增加。同时，平均气动载荷

CRediT 作者贡献声明
陈一心：写作 - 原稿，验证，调查，形式分析，数据整理。刘洪军：监督，资源，调查，形式分析，资金获取。林坤：写作 - 审阅与编辑，监督，资源，方法，调查，资金获取。周安娜：写作 - 审阅与编辑，监督，方法，调查，形式分析，概念化。

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
本研究得到广东省土木工程智能与韧性结构重点实验室（项目编号 2023B1212010004）、国家自然科学基金（项目编号 52378500）、广东省基础与应用基础研究基金（项目编号 2024A1515240004, 2026A1515010040）以及广东省大学生科技创新培育专项基金（“攀登计划”专项基金）的支持。

陈一心 | 刘洪军 | 林坤 | 周安娜
哈尔滨工业大学（深圳）智能土木与海洋工程学院，中国 深圳 518055