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从20世纪90年代末至今,欧洲已经迅速建成了为数众多的大型的海上风力发电场,我国近几年在沿海也陆续建成了若干海上风力发电场,发展速度正在加快,风能尤其是海洋风能作为清洁能源发展越来越快,浅水的桩基础海上风电机在目前和未来都将是最主要的海上发电装备。然而,桩基础海洋风机在运行过程中仍然面临着一些实际的海洋工程问题,比如风机运行过程中发现的波浪爬升及对工作平台、靠船设备造成严重的损坏,因此有必要对海洋风机基础周围的波浪爬升及砰击现象进行详细研究。本文采用理论分析、模型试验和数值模拟相结合的方法,对波浪沿多种桩基础的爬升现象、波浪对工作平台的砰击现象、入射角度对波浪爬升高度的影响、不同基础类型对波浪爬升高度的影响等进行了较为深入的研究。 首先通过水槽模型试验得到规则波、随机波不同工况下波浪沿单立柱三桩基础、单立柱五桩基础的爬升高度,并将多种理论预测的爬升高度与试验高度进行对比,得出可信赖的预测方法和预测公式,同时将波浪不同角度入射情况下的爬升高度进行对比,以得到浪向对爬升高度的影响。 其次对爬升现象严重的工况进行砰击实验,得到砰击压强在闭合式工作平台上的分布,对砰击压强和砰击力进行分析,得出通过波浪工况及爬升经验公式来预测砰击压力的方法和公式,并得出不同角度对砰击力作用的影响。 然后采用动量方程和连续性方程为控制方程,自由液面采用VOF方法求解,运用边界造波法进行造波,建立三维数值波浪水槽,为了防止水槽末端发生波浪反射,从而对工作区域造成影响,采用阻尼消波技术进行消波。对网格划分疏密形式进行了详细研究,保证了数值方法的可行性。 最后通过建立的数值水槽模拟波浪沿单立柱三桩基础、单立柱五桩基础的爬升,与模型试验结果进行对比分析,证明了数值模拟爬升的正确性。用数值水槽模拟波浪沿圆管单桩基础的爬升,与单立柱三桩基础模型试验结果进行对比分析得出了不同基础类型对爬升高度的影响。 本文比较系统地研究了波浪沿桩基风机基础的爬升和砰击现象,得到了具有一定创新意义的结论,为我国海洋风力发电基础的设计与安全性、工作平台气隙的预测等提供了理论依据和技术支持。