强非线性波作用下海上风机动力特性模型试验研究

目的  单桩式基础是目前近海海上风电场应用最广泛的支撑结构。中国海洋环境多为浅水和中等水深,受到非线性波浪影响较为明显。与行进波相比,聚焦波可以在短时间内形成一个作用在桩柱上、比常规波浪力大的冲击力,从而影响海上风机的运行性能和疲劳寿命。文章旨在探究强非线性波浪作用下海上风机单桩基础荷载特性,掌握聚焦波与基础相互作用规律,为工程设计提供参考。 方法  文章采用水池模型试验的方法对NREL 5 MW单桩海上风机开展研究,缩尺比例为1∶80。结合我国东部沿海风电场的海洋环境条件,选取了三种典型聚焦波模型,通过浪高仪器和测力天平分别记录了不同工况下单桩周围波浪爬高和底部受力变化情况。 结果  结果表明：桩基所受的水平波浪力具有很强的瞬态性;单桩基础所受水平波浪力在聚焦波的作用下会突然增大,在波谷会受到反向冲击力。 结论  文章揭示了聚焦波引起的海上风机单桩基础荷载变化规律,证实了非线性波浪对于风机基础动力特性的重要影响,相关成果具有较高的理论和工程应用价值。     

风浪耦合作用下海上风电机组载荷特性研究

与陆上风电机组不同,海上风电机组承受风载荷以及波浪引起的水动力载荷共同作用.在风浪耦合作用下,海上风电机组基础结构以及各主要结构部件载荷特性更为复杂.为保障海上风电机组的运行结构安全,波浪特性对海上风电机组各主要承载部件载荷的影响应引起重视.该文基于改进的JONSWAP型谱,建立波浪动力学模型,以叶片根部挥舞方向弯矩以...     

基于整体耦合模型的海上风机结构桩-土相互作用影响研究

为了研究桩-土相互作用对于海上风机结构耦合运动响应的影响,文章依据海上风机整体耦合分析理论和结构动力学理论,推导建立了随机荷载作用下包含桩-土相互作用的海上风机基础结构耦合运动方程。通过对数值仿真软件FAST v8进行二次开发,建立了包含转子机舱组件-塔筒-基础结构-桩-土相互作用的海上风机整体耦合计算模型,其中桩-土相互作用等效为线性耦合刚度矩阵。通过开展固定边界、弹性边界条件下海上风机结构耦合运动响应对比,验证了桩-土相互作用对于海上风机结构动力特性及运动响应变化规律的影响。结果表明,桩-土相互作用对于海上风机结构特征模态存在显著影响,尤其对于高阶模态。此外,在随机荷载作用下,与固定边界条件相比,考虑桩-土相互作用后,海上风机结构耦合运动响应明显增大。     

10 MW大型单桩式海上风机桩土作用研究

目的  世界范围内已经建成的海上风场大部分位于浅水区域（水深<30 m）,主要以单桩等固定式基础为主。随着风电技术的不断成熟,海上风电逐渐走向机组大型化趋势,而单桩海上风机的基础直径也将随着机组大型化而增加。其所受到的环境载荷和土质条件要求也愈加严苛,对于大直径单桩式海上风机的桩土相互作用的研究成为海上风电技术的关键技术问题之一。方法  拟对浅水水域10 MW大型海上风机,研究不同桩土模型对大型单桩海上风机的动力响应的影响。结果  结果表明,宏单元法考虑了非线性的刚度与塑性,在特征频率附近的功率谱密度总和大,对比其他传统桩土模型时有很大的优势。结论  所做研究对风机的整体安全运行具有深远的理论价值与工程应用前景。     

单桩海上风力机风致振动变阻尼控制研究

风致振动是大型风力机发生破坏性事故的主要原因.为探究半主动控制在近海单桩风力机风致振动控制中的应用效果,基于ABAQUS有限元软件二次开发了风力机半主动控制模块,以单桩式NREL5 MW海上风力机为研究对象,通过磁流变阻尼器对Bang-Bang控制、改进Bang-Bang控制及Lyapunov控制3种半主动控制算法在单...     

海上三桩风机基础简化及荷载响应对比分析

三桩基础(Tripile Foundation)是一种新型的海上风机支撑结构,广泛适用于地质相对复杂、水位较深的风场。文章理论分析了海上风机基础桩—土相互作用简化方法,运用ANSYS建立3维有限元模型,考虑不同种地基约束简化方法,对单机3 MW三桩基础在不同方向极限荷载作用下进行数值分析。结果表明:三根桩非平均承担结构荷载,不同方向荷载作用结构响应呈规律性变化,荷载为0°方向时结构位移最大,荷载为20~30°方向时结构应力最大。实际工程计算时,需运用不同简化模型进行对比校核,重点考虑基础单桩主受拉、单桩主受压及20~30°荷载方向。     

波浪荷载作用下海上新型潜式浮式风力机运动特性研究

以适用于中等水深(50~200 m)的新型潜式浮式风力机为研究对象,该风力机基础综合Spar式、半潜式及张力腿(TLP)3类浮式风力机基础的优点,运行时基础主体淹没在水下,具有较小的水线面(如同Spar平台),受波浪影响较小;平台通过张紧式系泊线与海床相连(如同TLP平台),具有良好的垂荡和摇摆运动特性;拖航状态下,浮式平台处于半潜状态,水线面面积大(如同半潜式平台),具有良好的浮稳性。通过分析不同波况下的潜式浮式风力机耦合动力响应得到潜式浮式基础的横荡、纵荡、垂荡及纵摇运动响应,以及发电功率、叶片根部弯矩、塔筒顶部和底部弯矩、锚链张力时程曲线。研究结果表明:波浪对于结构的纵摇运动的影响最为明显,对发电功率、叶片根部弯矩和塔筒顶部弯矩影响较小,对塔筒底部弯矩和系泊线张力影响较大。     

考虑冲刷的单桩式海上风力机动力响应研究

为了研究复杂海洋环境下桩周冲刷对海上风力机动力响应的影响,以美国可再生能源实验室5 MW海上风力机为研究对象,建立风力机塔架-单桩-土体有限元模型,计入风浪和地震荷载对冲刷情况下的单桩式海上风力机进行动力响应研究。对比分析不同冲刷深度以及冲刷坡角对风力机系统固有频率和动力响应的影响。研究表明：当冲刷深度增加到二倍桩径时,风力机一阶固有频率降低至转子1P频率附近,容易引起共振;在风浪荷载以及风浪、地震联合荷载作用下,冲刷坡角不变,风力机最大位移与弯矩随着冲刷深度增加而增大,疏松土质条件下的增量大于紧密土;保持冲刷深度不变,冲刷坡角的变化对风力机动力响应影响较小。     

基于粘滞阻尼器的单桩式海上风力机结构振动控制

为探究湍流风与地震联合作用下单桩式海上风力机的结构动力学响应与振动控制,以单桩式NREL5 MW海上风力机为研究对象,采用有限元法建立三维壳模型并基于二次开发将体等效线性模型集成于ABAQUS中,通过附加粘滞阻尼器对地震诱导风力机振动进行控制.结果表明:粘滞阻尼器能够大幅降低地震导致的风力机塔顶振动,但对湍流风引起的塔...     

随机风浪作用下漂浮式风力机MTMD振动控制研究

基于多体动力学理论,通过二次开发,基于FAST-SC建立漂浮式风力机-多重调谐质量阻尼器（MTMD）耦合振动控制模型FAST-SC-MTMD。以驳船式海上风力机为研究对象,基于线性调频优化方法完成布置于机舱和平台位置的TMD参数设计。以漂浮式风力机结构运动响应控制率为评价指标,研究在随机荷载激励下将TMD和MTMD应用于在驳船式风力机的减振效果。研究发现,采用机舱和平台同时布置MTMD的减振控制策略,可有效降低驳船式风力机塔基荷载和运动响应。     

翼型水动绕流特性数值模拟分析

水力机械叶轮水力设计时,在保证叶片适当的进出口角度的前提下,均选用空气动力学翼型。基于GAMBIT网格技术和CFD中FLUENT软件,以常用的全对称翼型NACA0012和非对称翼型NACA63-415为基准翼型,对水流作用下的水动绕流特性进行了二维流场数值模拟计算,对比分析了两种翼型在高雷诺数Re=5×106和攻角-5°~90°下的流动特性变化,尤其是在大攻角时翼型表壁涡脱落及扩散的流场特性,获得了翼型的流场云图、矢量图、升力与阻力及升阻比的曲线图,同时对比研究了水与空气中的绕流特性,结果有益于了解流体机械叶片翼型的水动特性,可为流体机械叶轮叶片翼型的设计、选择和研制提供重要的理论依据。     

钢-泡沫铝-纤维复合结构抗冲击性能数值分析

采用数值模拟的方法研究了冲击荷载作用下钢-泡沫铝-纤维复合结构(以下简称复合结构)的动力响应特性,并着重考察了面板厚度和芯层厚度对复合结构抗冲击性能的影响,寻找其规律,比较分析同质量复合结构中前置钢板与泡沫铝材料质量比重对其冲击性能的影响,寻找前置钢板与泡沫铝最优质量比,并对这种复合结构进行优化设计,为工程实际提供数据依据。结果表明,一定质量范围内,增加钢板厚度对复合结构抗冲击性能的提升要优于同质量泡沫铝,但钢板与泡沫铝存在一个质量最优比,在平面尺寸9.2 m×9.2 m、120 t级的复合结构(PE纤维和后置钢板定量)中这个最优比在0.97:1附近。相同平面尺寸150 t级的复合结构,最优比在0.75:1～0.83:1之间,考虑工艺要求和造价,选择前置钢板9.5 cm、泡沫铝54 cm时综合性能更好,可以抵抗300 m/s初始速度弹体,具有一定安全储备,其重量只有钢筋混凝土结构的1/5.67,体积只有钢筋混凝土结构的17%且抗冲击性能较其更优越。     

Short-time Analysis of Magnetothermoelastic Wave Under Fractional Order Heat Conduction Law

This paper deals with the problem of magnetothermoelastic interactions in a perfectly conducting elastic medium in which the boundary is stress free and subjected to thermal loading in the context of the fractional-order, two-temperature generalized thermoelasticity theory (2TT). The two-temperature, three-phase-lag (2T3P) model and two-temperature Lord–Shulman (2TLS) model of thermoelasticity are combined into a unified formulation introducing unified parameters. The governing equations of generalized thermoelasticity of these models under the influence of a magnetic field are established. The basic equations have been written in the form of a vector-matrix differential equation in the Laplace-transform domain, which is then solved by the state-space approach. The numerical inversion of the transform is carried out by a method based on Fourier-series expansion techniques. Because of the short duration of the second sound effects, small time approximations of the solutions are studied. The numerical estimates of the quantities of physical interest are obtained and depicted graphically. The effect of the fractional-order parameter and the two-temperature and magnetic field parameters on the solutions has been studied and the comparisons among different thermoelastic models are made.     

人工降雨条件下坡面流试验分析

采用5个固定坡度的试验水槽和人工降雨系统模拟了不同坡度和雨强下的坡面薄层水流,分析其水动力学特性随坡度和雨强的变化规律,为坡面侵蚀理论提供了试验依据.研究结果表明,人工降雨条件下坡面薄层水流各水力学特性与坡度和雨强呈较好的函数关系.     

不同偏流角下潮流能水轮机水动力特性与熵产率分析

采用CFD与熵产理论相结合的手段,分析了不同偏流角对潮流能水轮机水动力特性的影响,发现偏流使无导管水轮机和导管水轮机输出功率及轴向推力均不同程度地降低,偏流20°时,两者功率最大下降率分别达到30.6％、16.8％,转子轴向推力最大下降率分别达到30.2％、19.8％.由于导管的聚流效应,不同偏流角下导管水轮机相比无导...     

燃烧扰动下炉膛压力的特性分析

采用机理分析和数据分析的方法,建立了炉膛压力与锅炉燃料量、送风量和引风量之间的非线性动态数学模型.在不同锅炉负荷下,对模型进行了线性化处理,得到燃料量对炉膛压力的传递函数,并对其进行了频域特性分析.结果表明:在燃料量扰动下,炉膛压力对象的频率特性在不同负荷下均呈现带通滤波特性,且燃烧扰动的主要频率分布在其通带内,控制系统本身难以直接对燃烧扰动进行有效抑制;在低负荷工况下,炉膛压力波动增大是由于对象自身的非线性特性造成的.     

基于地质和监测资料的地下洞室数值仿真模型概化分析

以某水电站大型调压井工程为研究背景,从介质类型、初始地应力场、主要结构面、地下水等方面进行概化分析,建立三维数值计算模型进行洞室施工模拟,分析了施工过程中围岩应力和位移的变化和分布规律,将计算位移与实测位移进行对比分析,得出一些有意义的结论。研究表明,工程区的计算本构模型和初始地应力场均对围岩的稳定性造成一定的影响;洞室施工期围岩较稳定;该水电站大型调压井工程选择弹塑性本构模型并施加构造应力场进行施工期数值模拟计算,更加接近真实的工程区围岩特性,可为其它相关工程问题的数值计算提供参考。     

海上风机基础设计中的破波力计算

海上风机基础设计中的关键环境载荷之一为波浪荷载。主要介绍了国内外规范关于直立桩柱上破波力的计算方法,通过对相同参数下破波力计算结果的比较和分析,给出了选用破波力计算方法的建议。     

Thermal Wave in Phonon Hydrodynamic Regime by Phonon Monte Carlo Simulations

ABSTRACT

Thermal wave, namely wavelike behavior of heat propagation in transient heat conduction, enjoys much attention due to the recent investigations into phonon hydrodynamics in low-dimensional materials. In this paper, an improved phonon Monte Carlo (MC) simulation algorithm is developed based on the Callaway’s dual relaxation time approximation model, which can deal with the coupling of normal and resistance scattering processes. Via the method, more thermal wave evidences are observed from the microscopic view of phonons, including overshooting and diffraction. Furthermore, the ballistic and hydrodynamic thermal waves are deeply studied. Two kinds of dissipation are found to exist in thermal waves, namely spatial dissipation and resistance dissipation. The former keeps the conservation of phonon momentum, but it lengthens the wavelength and decreases the peak temperature. The latter destroys the phonon momentum and keeps the original profile, lowering the peak temperature. Finally, phonon transport phenomena in Ziman hydrodynamic regime and diffusive regime are investigated, by introducing the scattering probability. The propagation tendency of thermal energy is found to decrease with the increasing scattering probability. The investigations into phonon hydrodynamics help to understand the heat transport characteristics and improve thermal management in low-dimensional materials.     

寒潮关键区冬季气温变化的研究

为研究我国寒潮关键区冬季气温时空分布特征,利用寒潮关键区1980~2013年冬季年平均气温资料,采用一元线性方程、5年滑动平均、EMD经验模态分解、EOF正交函数分解等方法分析了冬季气温变化规律。结果表明,寒潮关键区冬季气温在波动中逐年递减,每10年减少约0.24℃,且在2005年之前冬季气温相对较高;寒潮关键区冬季年平均气温具有3、5~10、20年三种时间尺度的演变周期;寒潮关键区冬季年平均气温具有全区域一致性、西北-东南型、西南-东北型的分布特征。研究结果为分析寒潮天气提供理论基础。