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
第 36 卷第 2 期2023 年4 月
振 动 工 程 学 报
Journal of Vibration Engineering
Vol. 36 No. 2
Apr. 2023
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1，2，王硕1，2，赵永发1，2，张伟1，2，李晔3
（1.南京航空航天大学土木与机场工程系，江苏南京 211106；
10级台风
2.南京航空航天大学江苏省风力机设计高技术研究重点实验室，江苏南京 211106；
3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海 200240）
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
中图分类号: TU312+.1； TK83 文献标志码: A 文章编号: 1004-4523（2023）02-0299-12
DOI：10.16385/jki.issn.1004-4523.2023.02.001
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FV⁃COM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；海流运动导致波浪传播变形。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。
收稿日期: 2021⁃06⁃26；修订日期: 2021⁃11⁃16
基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFE0132000，2019YFB1503700）；国家自然科学基金资助项目（51761165022，5207080548，52211530086）；国家自然科学基金国际（地区）合作与交流项目（52211530086）。
振  动  工  程  学  报第 36 卷
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：φ=
HL 2T cosh (z +d )
sinh (kd )
sin (kx -ωt )+
3πH 216T cosh [2k (z +d )]
sinh 4(kd )
sin [2(kx -ωt )]（1）
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。
图1 中/小尺度嵌套方法流程图Fig.1
Meso and micro⁃scale nested flowchart
图2 W⁃S⁃F 耦合平台数据传递框架
Fig.2
W⁃S⁃F coupled platform data transfer framework
图3 台风⁃浪⁃流数值水池三维模型示意图
Fig.3 Schematic diagram of typhoon⁃wave⁃current numeri⁃
cal pool three⁃dimensional model
300
第 2 期柯世堂，等： 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
波高方程η（x ，t ）为：
η=H 2cos (kx -ωt )+πH 28L cosh (kd )
sinh 3(kd )
⋅
cos [2(kx -ωt )][cosh (2kd )+2]
（2）
波浪水平向流速u wx 为：
u wx =πH T cosh [k (z +d )]
sinh (kd )
cos (kx -wt )+
0.75π2H 2TL cosh [2k (z +d )]sinh 4(kd )
cos [2(kx -ωt )]
（3）
波浪垂直向流速u wz 为：u wz =
πH T sinh [k (z +d )]
sinh (kd )
sin (kx -ωt )+
0.75π2H 2TL sinh [2k (z +d )]sinh 4(kd )
sin [2(kx -ωt )]
（4）
海流速度沿水深分布据1/7指数率［20］：
u c =ì
í
î
ïïïïv c (z 0.32d )1/7， 0<z d <0.51.07v c ， 0.5<z d <1（5）
式中 v c 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：
u x =u wx +u c
（6）
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：
U x =U 10(
z -η10
)α
（7）
式中 U 10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。
表1 WRF 模式物理方案参数设置
Tab.1 Parameter setting of physical schemes of WRF
WRF 参数水平分辨率积分时间步长微物理过程方案
长波辐射短波辐射近地面层方案陆面过程方案边界层方案积云对流方案
主区域（d01）
9 km
30 s Kessler RRTM Dudhai MYNN Noah MYNN2.5Kain⁃Fritsch
嵌套区域（d02）3 km 嵌套区域（d03）
1 km
模拟区域示意图
图4 海域网格划分示意图
Fig.4 Schematic diagram of sea area meshing
301
振动工程学报第 36 卷2.2　W‑S‑F模拟有效性验证
表2给出了W⁃S⁃F平台、单WRF模式与日本气
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
表2 台风路径模拟误差对比结果
Tab. 2 Comparison results of typhoon path simulation errors
模拟时间/h
12
18
24
30
36
42
48
54
60
平均误差
台风移动路径/km
JMA/WRF
36.33
69.86
47.26
55.42
28.88
51.94
14.44
51.12
39.44
43.85
JMA/W-S-F
43.08
62.72
15.56
19.78
12.16
14.90
17.39
21.93
19.39
25.21
WRF/W-S-F
48.50
34.45
31.78
44.94
23.74
35.70
32.12
39.44
33.82
36.05
台风移动路径图
图5 波高验证示意图
Fig.5 Wave height verification diagram
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第 2 期柯世堂，等： 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
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
。
图6 台风⁃浪⁃流耦合模拟结果示意图
Fig.6
Schematic diagram of simulation results of typhoon⁃wave⁃current coupling
图7 台风、浪、流时程曲线
Fig.7 Time⁃history curve of typhoon ，
wave and current
图8 台风剖面及湍流剖面
Fig.8 Typhoon profile and turbulence profile
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