风浪流联合作用下海上风电复杂桩基础的载荷特性研究
摘要
目前阶段，我国对海上风能的利用主要集中在近海，工作主要载体是海上固定式风
机。海上固定式风机为了保持正常的工作性能，需要有不同类型的支承基础。随着近海
风机大型化快速发展，具有承载转化提升、施工工期缩短、建设成本可控等优势的复杂
桩基础受到越来越多关注和应用。
复杂桩基础风机在风浪流联合作用下的载荷特性及载荷快速准确预报对于风机的
设计和安全寿命有着至关重要的影响，但其载荷特性，目前了解的还不够透彻，故本论
文以山东典型近海风电场工程为研究背景，探究复杂桩基础风机的载荷快速准确预报方
法，并基于整体耦合分析理论建立包含气弹-伺服-水动的海上风机整体耦合计算模型，
研究风浪流联合作用下海上近海风机载荷响应变化规律，研究的主要内容包括：
首先基于不可压缩粘性流体理论建立空域波浪水槽，对所建模型进行了消波方法研
究及时间步长和空间步长收敛性验证，保证本文计算流体力学方法求解波浪力数值模型
的准确性；然后分别基于Morison公式和CFD方法求解三脚架基础与导管架基础所受
波浪载荷，对比分析其误差，结合基础自身的结构型式，探究基于惯性力和拖曳力系数
修正的复杂桩基础波浪载荷快速计算方法，使其求解波浪载荷相较于按规范选取的水动
力系数求解波浪载荷误差大大减小，并验证了其可行性。
通过CFD方法与非定常叶素动量理论计算不同风速下的风机气动载荷，进行算例
相互验证，并基于Kaimal风谱模型，再应用谐波合成法和傅里叶变换模拟湍流风模型，
分析湍流风条件下风机的气动载荷波动特性。在风机气动载荷和波浪载荷求解精度得到
验证的基础上，基于FAST软件建立三脚架和导管架两种类型风机的整机数值模型，计
算其固有频率，并进行两种复杂桩基础风机在风浪流联合作用下的全耦合时域仿真，分
析对比波高、波流夹角、风场模型、波模型对载荷特性的影响，发现泥面处载荷波动的
控制载荷由环境载荷数值的相对大小决定。然后对风机不同运行工况下时域、频域和统
计值分析对比，探究两种复杂桩基础风机叶尖位移、叶根处剪力与弯矩、塔基处剪力与
弯矩、泥面处剪力与弯矩和海况之间的响应规律。
本文的研究成果对于复杂桩基础风机的载荷快速及准确预报具有重要意义，为近海
复杂桩基础风电场的设计和建设提供参考依据。
关键词：三脚架基础；导管架基础；水动力载荷；载荷特性；整体耦合
风浪流联合作用下海上风电复杂桩基础的载荷特性研究
Abstract
Atpresentstage,theutilizationofoffshorewindenergyismainlyconcentratedinoffshore,
themaincarrieroftheworkisoffshorefixedfan.Inordertomaintainthenormalperformance
ofoffshorestationaryfan,itisnecessarytohavedifferenttypesofsupportfoundation.Withthe
rapiddevelopmentofoffshorefanupscaling,moreandmoreattentionhasbeenpaidtothe
complexpilefoundation,whichhastheadvantagesofincreasingloadtransformation,
shorteningconstructionperiodandcontrollableconstructioncost.
Theloadcharacteristicsofcomplexpilefoundationfanunderthecombinedactionofwind,
waveandcurrentandthefastandaccuratepredictionofloadhaveacrucialimpactonthedesign
andsafelifeofthefa