施勇 姜贞强 任年鑫 王滨

随着环境恶化问题和能源短缺问题日趋严重，世界各国都在积极寻求构建一种清洁、安全、可靠的可再生能源系统。在众多新能源中，风电技术较为成熟，具有大规模开发前景。特别是海上风电开发，以节约宝贵土地资源、风力更稳定、风电机组单机容量更大、年有效利用小时数更高、受噪音标准限制更小、运输条件更为便利等优势，已成为全球风电产业发展的重要方向。

目前世界范围内的海上风电场主要集中在近海浅水区域，主要采用固定式基础支撑结构，如单桩、三桩、重力式、导管架式等。其中，三桩基础在我国东部近海风电场建设中有着广泛的应用。不同于陆上风电结构，除了上部风电机组叶片及塔架风载荷，近海风电结构还要考虑波浪载荷对其动力响应的重要影响。

各国学者通过理论分析和数值仿真对海上风电机组结构波浪载荷进行了研究，主要是采用Morison及其修正公式、势流理论和计算流体动力学（CFD）等方法求解海上风电机组结构的波浪荷载、动力响应特征以及桩土耦合效应等：部分学者也通过物理模型实验验证了浮式风电机组结构水动力荷载特征数值计算结果的有效性，但鲜见针对三桩基础的海上风电机组结构系统波浪荷载的物理模型实验研究。

本文主要基于物理模型实验方法，重点研究三桩基础近海风电机组结构的波浪载荷特征。结合某实际工程4MW三桩基础海上风电机组模型，构建三桩基础风电机组结构的缩尺物理模型实验测试系统，重点研究典型规则波浪、不同波浪入射方向和随机波浪海况下该结构系统的水动力响应特征。实验模型

该模型实验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室进行。波浪水池的主要尺寸为40m×8m×1m，最大工作水深为0.6m：自制推板式低、高频（长、短周期）复合波造波机，最大波高为0.25m;实验采用微机控制及同步数据采集系统。基于弗洛德数相似准则，三桩基础海上风电机组1：50缩尺物理实验模型如图1所示。此外，在三桩基础底部对称布置4个高精度防水型测力天平（协调受力），测试海上风电机组基础结构3个平动方向的力和3个转动方向的弯矩，传感器采样频率为100Hz，并在实验前进行了校核标定。

水动力数值模型

基于势流理论，利用广泛应用于波浪力载荷计算的AQWA软件构建三桩基础支撑结构的水动力数值模型，如图2所示。

结果分析

重点考虑最不利波浪载荷工况，即极端高水位情况，此时水深10.0m。为了使实验结果更好地指导实际工程设计，现将所有实验数据依据缩尺关系（λ=1/50）放大到全尺寸模型。

一、典型规则波浪工况

首先，对该三桩基础风电机组模型进行典型规则波浪工况的测试，考虑不同周期波浪的影响（波高均为2m），并将主要实验结果与对应数值结果进行对比分析，结果如图3所示。从图3可以看出，三桩基础风电机组的基底水平力和基底弯矩响应幅值随着波浪周期的增加而减小，实验测试结果与数值模拟结果有着很好的一致性。基底水平力和基底弯矩的实验测试结果小于数值模拟结果约5%～7%，即数值模拟结果过高地估计了三桩基础的动力响应幅值（主要是因为数值模型没有考虑波浪粘性阻尼的影响）。可见，基于数值模拟结果的工程设计是偏于安全的。

此外，进一步研究不同波高对三桩基础风电机组主要动力响应幅值的影响规律，并将主要实验结果与对应数值结果进行对比分析，结果如图4所示。

从图4可以看出，三桩基础风电机组的基底水平力和基底弯矩响应幅值随着波浪波高的增加而呈现近似线性的增加，实验测试结果与数值模拟结果有着很好的一致性。与不同波浪周期工况下测试结果与数值结果的对比情况相似，基底水平力和基底弯矩的实验测试结果小于数值结果约5%～8%，即数值模拟结果仍较高地估计了三桩基础的动力响应幅值。

此外，进一步研究不同波浪入射角度对三桩基础风电机组结构动力响应特征的影响（H=2m，T=7s），鉴于该模型为120°对称结构，因此选取代表性波浪入射角度分别为：0°、30°、45°、60°，波浪入射与三桩基础所成角度示意图如图5所示。不同波浪入射角度下三桩基础主要动力响应幅值如表1所示。从表1可以看出，随着波浪入射角从0°向60°增加，基底水平力和基底弯矩的响应幅值逐渐下降，即波浪0°入射角为最不利波浪载荷角度。因此，依照结构安全设计的基本原则，接下来模型实验的波浪入射角度统一选择0°。

二、典型随机波浪工况

鉴于实际海况的复杂性，进一步研究典型随机海况下三桩基础海上风电机组结构的动力响应特征。选取JonswaD谱对不规则波浪的统计信息进行描述（y=3.3），参考的典型工况（0°入射波浪）如下：

case 1：Hs=2m，Tp=7s，Jonsw印谱（风电机组一般运行海况）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，Jonswap谱（风电机组最大运行海况）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，Jonswap谱（极端海况）

重点研究上述三种代表性不规则波浪海况下基底水平力和基底弯矩的响应特征，结果如图6所示。从图6可以看出，随着三种代表性海况波高的增大，其主要动力响应幅值及波动情况也显著增加，具体相关统计结果如表2所示。该结果对于三桩基础海上风电机组结构的极限结构承载能力设计和疲劳性能分析都有着积极的参考价值。

此外，进一步研究代表性PM（Pierson-Moscowitz）譜工况下三桩基础海上风电机组的动力响应特征，所选取的有义波高和谱峰周期与Jonswap谱一致，具体波浪工况（0°入射波浪）如下：

Case 1：Hs=2m，Tp=7s，PM谱（风电机组一般运行海况）

Case 2：Hs=2.4m，Tp=7s，PM谱（风电机组最大运行海况）

Case 3：Hs=3m，Tp=9s，PM谱（极端运行海况）

重点研究上述三种代表性不规则波浪海况下基底水平力和基底弯矩响应特征，结果如图7所示。从图7可以看出，与Jonswap谱相似，随着三种代表性海况波高的增大，其主要动力响应幅值及波动情况也有所增加，具体相关统计结果如表3所示。从表3与表2对比分析结果（表4）可以看出，PM谱下的基底水平力和基底弯矩的动力响应最大值及标准差显著小于Jonswap谱下的对应结果，其中，前者的动力响应最大值约为后者的90%：前者的标准差约为后者的70%～90%。由此可知，三桩基础动力响应的最大值对波谱类型较为不敏感，而三桩基础的疲劳性能受波谱类型的影响较大。

结论

通过构建某4MW三桩基础海上风电机组结构的缩尺实验模型，较为系统地测试研究了典型规则波浪、不同波浪入射方向和随机波浪下三桩基础结构的水动力载荷特征。对比数值模拟结果与实验结果可知，数值模拟结果略大于实验结果（约5%～10%），三桩基础在0°入射波浪方向上的载荷最大，即最为不利。此外，三桩基础动力响应的最大值对波谱类型较为不敏感，而三桩基础的疲劳性能受波谱类型的影响较大（约70%～90%）。