海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法

本发明涉及海啸冲击作用下重力式基础研究领域，特别是海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法。

背景技术：

1、海上风能具有可再生、环保等优点，近年来受到越来越多的关注，近海风力机普遍采用固定式基础，常见的类型有单桩和重力式基础，风力机重力式基础具有结构简单、造价低且不受海床影响、稳定性好的优势，风力机在近海海域中运行时，经常遭受各种极端海洋灾害的影响，尤其是海啸灾害，作为一种具有突发性和强大破坏力的海洋灾害，海啸波到达近岸时，水深变浅，波高会迅速增加，给近岸工程结构带来巨大的冲击作用，现有的评估方法在海啸数值模拟方面，仅针对下游初始有水(水深固定)或初始无水的一种情况；在海啸物理模拟方面，物理波浪水池的尺寸几乎均不具备模拟海啸级别的大尺度海洋波浪动力行为，缩尺的物理水池还存在阻塞率限制，被测物体的尺寸普遍很小，无非反应足够的细节特征；在设计规范方面，当前近海风力机固定式基础的设计依据的相关规范、标准，均无法提供评估海啸对基础荷载效应的计算方法。

2、因此，提出的一种海啸冲击作用下近岸风力机重力式基础的荷载效应的评估方法对于科学评估和设计计算近岸风力机运行的可靠性具有一定参考价值。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明所要解决的技术问题是现有的评估方法在海啸数值模拟方面，仅针对下游初始有水(水深固定)或初始无水的一种情况、物理波浪水池的尺寸几乎均不具备模拟海啸级别的大尺度海洋波浪动力行为，无法反应足够的细节特征、当前近海风力机固定式基础的设计依据的相关规范、标准，均无法提供评估海啸对基础荷载效应的计算方法等问题。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法，其包括以下步骤：

5、建立海啸数值水槽的模型并验证；

6、验证海啸数值水槽的网格划分；

7、验证海啸数值水槽的计算设置；

8、验证结果分析；

9、建立海啸冲击重力式风机基础模型；

10、海啸模型的设计；

11、网格划分和计算设置；

12、海啸风力机重力式基础分析量的定义；

13、提取计算结果并将结果可视化；

14、所述评估步骤采用的原理方法是溃坝波产生海啸波，溃坝波的质量守恒方程和动量方程分别为：

15、

16、

17、符号ui代表时间平均速度，其中下标i和j分别代表笛卡尔坐标系中(x,y)的方向。时间平均速度的定义为其中水体速度ui由时间平均速度ui与波动速度u′i组成，即ui＝ui+u′i。p是时间平均压强，ρ是水体密度，μ是水体的动力粘度。uiuiuiu′iui＝ui+u′i作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述建立海啸数值水槽的模型时，采用arnason的物理实验的水槽尺寸，确定验证水槽的布置后，建立数值水槽的几何模型。

18、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：3.所述海啸数值水槽的网格划分时，将整个数值水槽分为核心区和非核心区，均采用六面体结构化网格划分，在模型近壁面区域进行加密；

19、网格划分的步骤如下：

20、使用icem的自动体网格划分功能，设置全局的基本网格尺寸；

21、划分block，将圆形柱部分的block设置点关联并进行o形网格划分，并关联线，对圆柱周围区域进行加密，得到质量较好的非结构化网格；

22、y+设置为60，计算出壁面边界到最里层网格中心之间的距离，对近壁面区域的网格加密；

23、根据网格质量和数量不断调整网格，划分出三种尺寸的网格对网格无关性进行验证，即粗糙、基本和精细三种网格方案。

24、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述验证海啸数值水槽的计算设置时，将验证数值试验水槽的底部、前后壁面、左右壁面设置为固定壁面边界条件，试验水槽的顶部设置为压力出口，允许空气进出水槽，且圆形柱的边界也设置为固定壁面，压力和速度场的耦合方式采用simple算法，离散格式采用二阶迎风格式，对应计算参数采用默认值。

25、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述验证结果分析时，数值模拟与实验的液面高度、监测点的流速时程和圆形柱的水平压力进行分析，与粗糙网格方案进行对比，得出后续计算采用基本网格方案。

26、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述建立海啸冲击重力式风机基础模型时，数值水槽采用缩尺模型，长度缩尺比例为1/80，考虑水槽的阻水作用，采用的数值水槽宽度wtank为水槽中结构物在水槽宽度平面上投影长度的8倍，确定模型的几何尺寸和在基础在水槽中的位置后，建立海啸冲击风力机重力式基础的数值模型。

27、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述海啸模型的设计时，海啸的速度和波高是定量计算海啸破坏力、结构抗海啸设计的重要参数，数值模拟的波高、速度根据实际海啸的波高和波速换算求得；

28、推算给定波高波速的涌波所需的蓄水深度与初始水深，并设计三种级别的海啸：大海啸、中海啸、小海啸。在数值水槽中，根据初始的蓄水深度与初始水深进行海啸模拟，监测监测点处波高和波速，并将数值模拟得到的监测值与stoker理论结果进行对比验证。

29、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：8.所述网格划分和计算设置时，核心区采用o形网格切分，对基础周围区域进行加密，非核心区网格仍采用基本网格方案；

30、将数值水槽的底部、前后壁面、左右壁面和风力机重力式基础的边界均设置为固定壁面边界条件，水槽的顶部设置为压力出口，允许空气进出水槽，压力和速度场的耦合方式采用simple算法，离散格式采用二阶迎风格式。

31、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述海啸风力机重力式基础分析量的定义为：冲击力、表面压强、基底力矩；其中，

32、冲击力：

33、在fluent监测基础表面压力，计算重力式基础在受到三种级别海啸冲击时所承受的x，y和z方向的压力：

34、fx＝∫px×n·da

35、fy＝∫py×n·da

36、fz＝∫pz×n·da

37、式中：fx，fy和fz分别代表重力式基础x，y和z方向的冲击力，px，py和pz分别代表重力式基础x，y和z方向的压强，n代表单位面积的法向量，da表示面积元素。

38、表面压强：

39、以标准大气压为参考压强，静压强sp，动压强dp和总压强tp的定义如下：

40、sp＝ρgh+p0

41、dp＝0.5ρv2

42、tp＝sp+dp

43、式中：ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水深，p0为标准大气压，v为水的流速。

44、基底力矩：

45、选定基础底面的圆心为力矩中心点，定义基底弯矩mx，my和mz下：

46、mx＝∫rx×fx·ds

47、my＝∫ry×fy·ds

48、mz＝∫rz×fz·ds

49、式中：fx，fy和fz分别代表重力式基础x，y和z方向的冲击力，rx，ry和rz分别为力fx，fy和fz作用点到力矩中心点的距离，ds为力矩臂的微元弧长。

50、作为本发明所述海啸冲击对近海风力机重力式基础荷载效应的评估方法的一种优选方案，其中：所述计算结果的提取和可视化分为三部分：海啸冲击过程、冲击力、表面压强、冲击力矩。

51、本发明的有益效果：依据stoker理论设计不同大小的波高和波速的海啸，并将数值模拟的得到的波高、波速与stoker理论结果进行对比，研究了重力式风机基础受到海啸冲击时压力最大的位置，采用三维数值模型研究重力式风机基础底部3个方向上的力矩变化特性；

52、创建了特定数值水槽模型，以验证采用溃坝波模拟海啸波的有效性和可重复性；

53、提供了对海啸冲击过程、基础表面压强、基础受到的冲击力和力矩进行分析方法；

54、数值水槽的网格少、方便修改水槽参数、计算效率高，且与全尺寸的数值水槽的物理量有对应的缩尺关系，模拟海啸的方式与传统的溃坝试验相同，因此较容易实现试验结果与数值模拟的匹配验证。