台风?浪?流耦合作用下海上10 MW级特大型风力机风荷载特性分析

柯世堂 王硕 赵永发 张伟 李晔

摘要 为揭示海上台风?浪?流耦合作用下海上风力机的风荷载分布特性，以广东外罗10 MW特大型风力机为研究对象，采用Model Coupling Toolkit（MCT）建立中尺度WRF?SWAN?FVCOM（W?S?F）实时耦合模拟平台，分析超强台风“威马逊”过境全过程海上风电场台风?浪?流的时空演变，再结合中/小尺度嵌套方法分析了风力机风荷载分布特性与叶片?塔筒?波浪面之间的干扰效应，提出了极端风况下海上风力机典型位置极值荷载模型。结果表明：建立的中尺度W?S?F耦合平台能准确模拟台风、波浪和海流间的相互作用；塔筒风荷载在叶片干扰段以横风向为主，在波浪干扰段以顺风向为主，并在低空波面附近表现出较强的脉动特征；A位置叶片最安全而B位置最危险；T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位，基底剪力最大达7.68×106量级，基底弯矩最大达5.2×108量级。

关键词 风荷载分布; 台风?浪?流耦合模拟; 海上风力机; 中/小尺度嵌套; 干扰效应

引 言

与陆上相比，海上风力机运行环境更加恶劣，承受复杂多变的风况与海况，面临台风、巨浪、急流等极端复杂海洋环境的严峻挑战。尤其是台风过程中三者交互运动衍生出台风?浪?流耦合的复杂形态［1?2］，由此导致的海上风力机风毁事故屡见不鲜［3?6］，成为海上风电产业持续发展的技术瓶颈。

目前，针对台风形成的极端海洋气候的研究主要依赖于数值模拟。其中，WRF模式可考虑多物理过程模拟真实大气和地形下的风场，是目前应用最广泛的台风研究与预报技术［7］；第三代海浪模式SWAN可模拟近岸波浪传播变形、风浪及涌浪，在中国渤海［8］、东海［9］和南海［10］的台风浪模拟中得到了大量验证；有限体积海洋模式FVCOM具备模拟海湾、滩涂等复杂边界对于海流动力环境影响的能力，广泛应用于海流运动的研究［11］。然而，台风、浪、流三者在交互运动中存在强烈的耦合作用：台风掀起巨浪显著改变海表面粗糙度；波浪辐射应力为海流流动提供驱动力；海流运动导致波浪傳播变形。已有研究大多忽略了台风、浪、流三者间的反馈信息，单一模式无法精确模拟台风过程中的特异性风场。

考虑到台风模拟网格分辨率为千米量级，而风力机结构仅有百米量级，若要准确模拟其结构表面的荷载分布状况，则需提取厘米级以下的边界层网格信息，此时上述中尺度模式将完全失效。小尺度CFD擅长模拟结构物附近的流体运动与压力波动，被广泛应用于近海风力机风荷载分析［12?16］。采用中/小尺度嵌套方法［17?18］进行海上风力机台风场的降尺度模拟是解决该问题的新思路，其中中尺度流场与小尺度结构的多层次网格嵌套、高精度传递、多时间尺度控制、跨尺度突变等问题的处理是关键。

鉴于此，基于MCT建立中尺度W?S?F耦合模拟平台，首先分析了“威马逊”过境中国南海，广东外罗风电场中的台风?浪?流的时空演变特性；其次，结合小尺度CFD台风?浪?流数值水池分析了极端工况下风力机结构风载荷分布特性；最后，分析叶片?塔筒?波浪面之间的干扰效应，并提出了海上风力机典型位置极值荷载模型。

1 中/小尺度嵌套方法

1.1 总体嵌套模拟方法

基于MCT建立中尺度W?S?F实时双向耦合模拟平台，首先模拟超强台风“威马逊”过境广东外罗风电场的海洋环境，主要包括：台风场风速、波浪场波形要素、海流场潮位及流速等要素的时空分布信息；其次将上述计算结果作为小尺度CFD台风?浪?流水池的入流边界条件，实现中/小尺度嵌套模拟；在此基础上，提炼出台风?浪?流耦合作用下海上风力机结构的风荷载分布特性。嵌套主要流程如图1所示。

1.2 中尺度W?S?F耦合平台

W?S?F耦合平台数据传递框架如图2所示。平台通过MCT调动数据交换，实现各子模式之间的实时耦合。其中，WRF向SWAN，FVCOM传递风速，用以生成波流运动的驱动风场；FVCOM向WRF传递海表温度，更新WRF子模式的下垫层温度进而影响台风强度和路径；FVCOM向SWAN传递海流的潮位与流速，影响波浪的波形要素变化；SWAN向FVCOM传递波形要素，影响海流的运动过程和分布形式；SWAN向WRF传递波形要素，影响台风的风速剖面与运动过程。

1.3 小尺度CFD数值水池

图3给出了台风?浪?流数值水池三维模型示意图。台风、波浪与海流均沿X轴正向传播，并在水池尾部添加动量源阻尼以实现消波［19］。选用RNG k?ε湍流模型，基于三维双精度分离式求解器，采用PISO算法实现压力与动量的解耦。压力方程选用加权体积力格式，自由面重构方法采用Modified HRIC，边界条件设置如下：出入口分别采用速度入口与压力出口，底面设为壁面边界，其余边界采用对称边界。

相比线性波，二阶Stokes波存在质点漂移和质量前移，更接近实际海况，速度势φ（x，z，t）为：

式中 H，T，L和d分别为波浪的波高、周期、波长和静水深度；k为波数；ω为圆频率。

波高方程η（x，t）为：

波浪水平向流速uwx为：

波浪垂直向流速uwz为：

海流速度沿水深分布据1/7指数率［20］：

式中 vc为海流的水深平均流速。

水质点水平向速度根据波流共同作用下流速场理论［21］定义：

波面以上的台风风速依据《建筑结构荷载规范》［22］采用指数率梯度风定义：

式中 U10为基本风速；α为风剖面指数。

2 数值模拟

2.1 中尺度W?S?F模拟

模拟对象为2014年第9号台风“威马逊”，最大风力等级达17级，为建国以来登陆中国的最强台风［23］。WRF子模式模拟包含7月16日6时到19日6时台风登陆南海全过程。大气初始边界条件基于全球历史再分析FNL数据，区域空间分辨率为1°×1°。水平方向采用三层双向自嵌套Arakawa C网格，其分辨率从外至内依次为9 km（d01），3 km（d02），1 km（d03）；最高等压面取为5000 Pa，高度方向沿地形欧拉质量坐标系共设置37层网格，其中1000 m以下设置19层。地图投影采用Mercator方案，WRF模拟参数化方案如表1所示。

FVCOM，SWAN共用一套非结构化网格。对近岸和水深变化剧烈处网格进行加密，最小网格间距为200 m，最大网格间距为10 km，网格总数约为7.5万，网格划分如图4所示。

SWAN子模式海浪谱频率范围为0.04～1 Hz并离散为100个频段，风速数据来自WRF子模式计算结果，并考虑白帽耗散、底摩擦、波破碎及波?波非线性作用等物理过程；FVCOM子模式采用σ坐标系，沿高度方向设置15层网格。初始海温采用NECP提供的0.5°×0.5°分辨率全球日平均海表温度RTG_SST，潮位开边界使用CHINATIDE提取。

2.2 W?S?F模拟有效性验证

表2给出了W?S?F平台、单WRF模式与日本氣象台（JMA）台风路径对比结果。相比JMA最佳路径，单WRF模式与W?S?F平台模拟的台风移动路径均略偏北。单WRF模式的平均误差为43.85 km，而W?S?F的平均误差为25.21 km，W?S?F耦合平台对于台风路径的模拟精度提高了42.51%，最小误差仅有12.16 km。

以AVISO发布的Jason?2卫星波高遥感数据作为验证资料，图5给出了W?S?F平台波高模拟验证示意图。由图5可知：相比单一SWAN模式，W?S?F平台模拟结果与JASON?2卫星数据更加吻合，尤其在大波高区间具有更高的模拟精度，可验证中尺度W?S?F耦合平台模拟结果的有效性。

2.3 中尺度模拟结果分析

图6给出了台风登陆广东时台风?浪?流耦合模拟结果示意图。由图6可知：台风在移动过程中风场围绕台风眼呈逆时针旋，且后眼壁区域风速大于前眼壁；波高的空间分布呈现“月牙状”，台风眼附近形成小浪区而在右侧形成大浪区；海流场对风场的响应存在显著的滞后性和偏右性，海流围绕台风眼后方逆时针流动，右侧流速显著大于左侧，且在台风眼右后方出现流速较大的回流区；在海南和广东登陆时，由于近岸浅水效应导致波高迅速降低，海流流速显著加快。

图7给出了外罗风电场台风过境时的台风、浪、流时程曲线。由图7可知：基本风速随台风过境不同阶段呈现M型变化规律，基本风速最大值为45.54 m/s，出现在台风后眼壁区域（55 h）；波浪与海流随台风场的响应具有一定滞后惯性，波高最大值为8.85 m；海流流速最大值为2.408 m/s。

2.4 小尺度CFD模拟

图8给出了海上风电场中风速最大时的台风剖面及湍流剖面。由图8可知：由W?S?F耦合平台输出结果拟合风剖面指数为0.091，而规范［22］定义A类地貌的对应值为0.12，且同一高度处台风场的风速与湍流度数值明显高于A类良态风场。

已有研究表明：叶片完全遮挡塔筒时，风力机体系抗风性能处于最不利停机位［24］。CFD模拟的入流边界选自W?S?F平台中风速最大时的台风?浪?流参数，工程概况如表3所示。

2.5 CFD网格划分

表4给出了不同网格方案下的参数对比。由表4可知：随着网格数的增加，网格质量逐渐增高，波高误差和网格歪斜度呈现逐渐减小趋势。方案四和方案五表明：随网格数量增加测点压力系数变化很小，方案五已达到网格无关条件，选取网格总数为3590万的方案。

图9为台风?浪?流数值水池网格划分示意图。网格划分采用混合网格离散形式，将整个计算域分为内外两个部分。核心加密区采用四面体非结构化网格，风力机结构壁面第一层网格高度取为0.002 m，渐变率为1.1，y+值范围在30～50。外围区域较为规整，采用六面体结构化网格，近波面网格分辨率取为Δx=L/150，Δy=H/10，Δz=H/30。

2.6 CFD模拟有效性验证

图10给出了风力机未干扰段平均风压与规范曲线对比示意图。分析可知，台风场作用下风力机未干扰段塔架平均压力系数与规范［22］沿环向分布规律基本一致，仅在背风区和侧风面的负压极值区略小于规范值，可验证CFD模拟的有效性。

3 风荷载特性分析

3.1 塔筒荷载分布

图11定义了风力机塔筒和叶片局部坐标系示意图，其中X向为顺风向风荷载，Y向为横风向风荷载，Z向为轴向风荷载。

将塔筒从下至上平均分为15段，每段10 m，分别为Cy1～Cy15。图12给出了风荷载沿塔筒高度分布箱视图，图中左右边界线为该段塔筒风荷载最值，矩形左、右沿代表概率分布为25%，75%的荷载值，标签数值为模拟时间内风荷载均值。分析可知：Cy1～Cy5分段风荷载受波浪起伏干扰影响较大，但随高度增加影响作用逐渐减弱；顺风向风荷载分别在Cy15，Cy12达到正、负最值，横风向风荷载分别在Cy10，Cy7分段达到正、负最值，并在Cy12与Cy13分段出现顺风向负值风荷载。叶片干扰段以横风向风荷载为主，波浪干扰段以顺风向风荷载为主。

3.2 干扰效应分析

为探究波浪面起伏对塔筒风荷载的干扰效应，图13给出了波浪面干扰段塔筒风荷载时程曲线。由图13可知：低空波面附近塔筒（Cy1～Cy2）所受风荷载受波浪起伏的干扰表现出较强的脉动特征，气流略过波峰产生加速效应导致顺风向风荷载出现“峰刺”激增现象，最大瞬时风荷载可达108 kN；横风向风荷载表现为无明显规律的正负交替。

为探究“塔影效应”对塔筒风荷载的干扰，图14给出了塔筒沿高度方向的典型截面压力云图。由图14可知：未干扰段塔筒附近压力场沿0°入流角呈现对称分布；随叶片遮挡面积的增大，塔筒与叶片之间的正压区域逐渐缩小，至Cy11分段正压区域消失。Cy13段塔筒周围已无正压区域，叶片与塔筒迎风面之间形成局部负压增幅区，且塔筒背风面压强大于迎风面导致其在顺风向出现负值荷载。

湍动能TKE（Turbulent Kinetic Energy）是单位质量流体的湍流脉动动能，是衡量湍流混合能力的重要指标，其表达式如下：

式中 u，，v，，w，分别为x，y，z方向的脉动风速。

图15给出了塔筒沿高度方向典型截面湍动能分布云图。由图15可知：来流风经过叶片产生湍动能增幅区，在叶片上下边缘处湍动能值较大，背风面湍动能值较小。Cy11与Cy15截面的叶片和塔筒之间风场湍动能数值较大，导致压力场压力梯度较大；Cy13截面塔筒附近湍动能数值较小，导致该分段塔筒风荷载脉动特征相对较弱。

3.3 叶片荷载分布

图16给出了各叶片风荷载分布箱视图。由图16可知：顺/横风向风荷载沿叶展方向的变化较一致，均呈现先增大后减小的变化规律；顺/横风向风荷载最大值分别出现在距叶根21 m，13 m处，两者最小值均出现在叶尖位置，且横风向风载在叶尖附近接近于零；相比叶片A和C，叶片B在下半段风荷载表现出较强的脉动特征。“塔影效应”对塔筒风荷载干扰效应较强而对叶片干扰较弱。

图17给出了叶片B，C附近流场的湍动能分布云图。由图17可知：来流风经过叶片产生湍动能增幅区，在叶片上下边缘处湍动能值较大，在远流场区域，湍动能逐渐耗散减小。相比叶片C，叶片B在叶根附近具有更大的湍动能值，导致其风荷载表现出更强的脉动特性。

图18给出了风力机叶根风荷载箱视图，图中上下三角形为荷载最值，圆点为模拟时间内风荷载均值，箭头代表作用力方向。由图18可知：顺风向风荷载占主导地位，顺风向叶根剪力约为横风向的两倍，最大值达到6.24×105量级；顺风向叶根弯矩约为横风向的三倍，最大值达到2.45×107量级；叶根扭矩值仅为2.31×105量级。叶片A位置低，风速小，所受风荷载最小且脉动特性最弱，为最安全叶片；叶片B所受风荷载略大于叶片A与C且脉动特性最强，为最危险叶片。

3.4 极值荷载

图19给出了风轮及塔筒根部极值荷载示意图。由图19可知：风轮荷载主要集中在轴向推力与风轮转矩，轴向推力达到1.71×106量级；三个叶片的侧向力与偏航力矩接近内力平衡状态，合力量级较小。塔筒根部风荷载集中在顺风向，而横风向风荷载减小一个量级；顺风向剪力达到2.3×106量级，顺风向弯矩达到3.16×108量级，扭矩数值极小，可忽略不计。

图20给出了不同波浪相位下基础柱荷载极值示意图。由图20可知：基底剪力与根部弯矩最大值均出现在T4相位，为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位。基底剪力最大达到7.68×106量级，其中水动荷载占主体；基底弯矩最大达到5.2×108量级，其中风荷载占主体。基底扭矩比弯矩值小三个量级，且基本为上部机体风荷载所致，水动荷载对基底扭矩的贡献极小，可忽略不计。

4 结 论

基于建立的W?S?F实时耦合模拟平台，提炼了台风“威马逊”过境时外罗海上风电场的台风、浪、流参数，并采用中/小尺度嵌套的降尺度方法模拟并分析了台风?浪?流极端工况下最不利停机位风力机结构风载荷分布特性：主要结论如下：

（1）建立的W?S?F耦合平台可准确模拟台风过程中台风、波浪与海流的时空分布与演化特性，台风路径的模拟精度较单WRF模式提高了42.51%；

（2）塔筒在叶片干扰段以横风向风荷载为主，而在波浪干扰段以顺风向风荷载为主，低空波面附近塔筒所受风荷载受波浪起伏的干扰表现出较强的脉动特征，风荷载存在“峰刺”激增现象；

（3）叶片上风荷载以顺风向风为主导，且沿叶展方向呈现先增大后减小的变化规律；A位置叶片最安全而B位置叶片最危险；

（4）T4相位为海上风力机单桩基础强度设计的最不利相位，基底剪力最大达到7.68×106量级，其中水动荷载占主体，基底弯矩最大达到5.2×108量级，其中风荷载占主体。

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Wind load characteristics of 10 MW?level super?large offshore wind turbine under the coupling effect of typhoon?wave?current

KE Shi?tang 1，2 WANG Shuo 1，2ZHAO Yong?fa 1，2ZHANG Wei 1，2LI Ye 3

1. Department of Civil and Airport Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China；

2. Jiangsu Key Laboratory of Hi?Tech Research for Wind Turbine Design， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China；

3. State Key Laboratory of Ocean Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China

Abstract Offshore wind turbine is a technological commanding height in wind power industrial development in future and it faces more complicated extreme wind environments compared with onshore wind turbine. To disclose wind load distribution characteristics of wind turbine under typhoon-wave-current coupling effect on the sea， a 10MW-level super-large offshore wind turbine in Wailuo Wind Farm， Guangdong is chosen as a research object and a real-time meso-scale WRF-SWAN-FVCOM （W-S-F） coupling simulation platform is constructed by using Model Coupling Toolkit （MCT）. The spatial-temporal evolution of typhoon-wave-current in the offshore wind farm in the whole landing process of the super typhoon “Ramason” is analyzed. Next， wind load characteristics of wind turbines and interference effect among blade， tower and wave surface are analyzed by combining the meso-micro scale nesting method. The extreme load model at typical positions of offshore wind turbine under extreme wind conditions is proposed. Results demonstrate that the constructed meso-scale W-S-F coupling platform can simulate interactions among typhoon， wave and current accurately. Wind loads on the tower are mainly transversal in the section within the blade interference， and are downward in the section within wave interference. Moreover， strong pulsation features are observed near the low-altitude wave surface. Blade at position A is the safest， while blade at position B is the most dangerous. T4 is the most adverse phase for single pile foundation strength design of the offshore wind turbine. At T4 phase， the maximum base shear reaches the 7.68×106 magnitude and the maximum base bending moment reaches the 5.2×108 magnitude.

Keywords wind load distribution; typhoon?wave?current coupling simulation; offshore wind turbine; meso?micro scale; interference effect