CN110657073A - 测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置及方法，该装置不仅适用范围广、模拟精度高，还考虑尽可能完整地模拟海上风机在风暴潮浪作用下的受荷状态，能同时模拟水平波浪荷载、风荷载、潮汐现象，从而得到风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数的演化规律，该试验装置对海上风机设计和维护具有重要意义。该方法尽可能完整的模拟出了海上风机在风暴潮浪作用下的受荷状态，能同时对海上风机一体化模型进行水平波浪荷载、风荷载、潮位升降等多种海上环境的模拟，从而得到的风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数的演化规律更接近于实际海上环境，具有更高的参考价值。

Description

测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，更具体的说是涉及一种用于测试风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数演化的试验装置。

背景技术

目前，作为绿色能源开发途径的海上风电技术得到越来越多的关注，海上风电场建设不断发展，但是，由于海洋环境十分复杂，海上风电场基础结构除承受常规的波浪、海风、海流、海冰等荷载外，还会受风暴潮的影响。风暴潮产生时，不仅会使水位增加，还会伴随有波高较大的台风浪，对海上风电场支撑结构的安全造成巨大危害。为了降低风暴浪潮对海上风电场正常工作带来的影响，越来越多技术人员采用合理的模型模拟风暴潮对海上结构物的冲击进而分析和评价影响因素。

但是，现有的模拟方式仅能简单地对风、浪进行叠加后考虑循环加载次数的影响，在风暴潮浪极端海况条件下，极限风速较大，并不能得到真实可靠的分析结果，同时，现有的模拟方式也未考虑到水深对海上结构物的影响，随着海上风电场向深水域发展，由于水深增加，风机基础的柔度较大，其自身动力特性(如结构自振频率)随基础刚度的变化非常敏感，在风暴潮引发的波浪荷载和风荷载的联合作用下，相当于给基础结构施加了瞬时动力作用，强烈的动力作用会引起基础结构的累计转角，造成基础结构的水平刚度和转动刚度发生演变，进而影响基础结构自振频率、阻尼比等动力特性参数的变化。深水域(大于20m)高柔度基础结构的自振周期有时会达3s以上，越来越接近于波浪周期，而风暴潮浪引起的基础结构动力特性参数的演化可能导致风机结构的自振频率偏离1P-3P(1P-马达转动频率，3P-风机叶轮扫掠频率)频率带，造成风机结构接近于激振力的频率而发生共振的危险，从而影响风机的正常运转。所以，由于忽视了水深这一重要影响因素，导致现有的模拟方式得到的分析结果不够完整，可参考价值不高，并不能满足实际海上风机设计和维护工作对真实、完整的模拟数据的需求。

因此，如何提供一种能够真实完整的模拟海上风电机实际工作状态的用于测试风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数演化的试验装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置及方法，该装置能够尽可能完整地模拟海上风机在风暴潮浪作用下的受荷状态，解决了现有的模拟方式得到的分析结果不够完整，可参考价值不高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，本发明提供了一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，该装置包括：

行进波浪水槽，所述行进波浪水槽内填装有试验模拟用的海床地基；

造波机，所述造波机设置于所述行进波浪水槽一端并与所述行进式波浪水槽固定连接；

波高仪，所述波高仪设置于靠近所述造波机的位置，所述波高仪与所述行进式波浪水槽的一侧外壁固定连接；

海上风机一体化结构模型，所述海上风机一体化结构模型竖直布置，且其一端埋设于所述海床地基中；

风荷载模拟系统，所述风荷载模拟系统架设于所述行进波浪水槽上方靠近所述海上风机一体化结构模型的位置，所述风荷载模拟系统用于在不同高度模拟施加风荷载；

生潮系统，所述生潮系统布置于所述行进波浪水槽和所述造波机的周侧，并与所述行进波浪水槽和所述造波机固定连接；

动力特性参数测试系统，所述动力特征参数测试系统架设于所述行进波浪水槽的上方，所述动力特性参数测试系统用于对模拟过程中的数据进行采集和分析处理。

进一步地，上述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置还包括消波堤，所述消波堤设置于所述行进波浪水槽的另一端并与所述行进波浪水槽固定连接。

进一步地，所述海上风机一体化结构模型包括基础件、塔架、轮毂和叶片，所述基础件埋设于所述行进波浪水槽内的海床地基中，所述塔架一端与所述基础件固定连接；其另一端与所述轮毂固定连接，所述叶片与所述轮毂可枢转的连接。

进一步地，所述风荷载模拟系统包括空气压缩机、气压控制表、恒压储气罐、T形输气管、电气比例阀、喷气管和信号处理器；

所述空气压缩机通过软管与所述气压控制表连接，所述气压控制表通过软管与所述恒压储气罐连接，所述T形输气管设有多个，多个所述T形输气管竖向布置且均与所述恒压储气罐活动连接，所述T形输气管与所述电气比例阀连接，所述电气比例阀与所述喷气管连接；所述电气比例阀还与所述信号处理器电连接；

所述空气压缩机、气压控制表、恒压储气罐和信号处理器均通过平台架设于所述行进波浪水槽上方靠近所述海上风机一体化结构模型的位置。

进一步地，所述恒压储气罐上具有两条平行的导轨，每条所述导轨内均设有多个等间距布置的排气孔，所述T型输气管两端分别安装于所述导轨内并在所述导轨内自由滑动。

进一步地，所述生潮系统包括首生潮子系统、尾生潮子系统、回水廊道、给水管和排水管；

所述首生潮子系统和所述尾生潮子系统对称的设置于所述进波浪水槽的两端，所述首生潮子系统和所述尾生潮子系统通过所述回水廊道连通，所述首生潮子系统、尾生潮子系统和回水廊道围合成U型结构；所述给水管和所述排水管均与所述首生潮子系统或所述尾生潮子系统连通。

进一步地，所述首生潮子系统或所述尾生潮子系统包括设备室、集水室、固定式隔板、活动式隔板、第一刚性套管、第二刚性套管、输水管、双向变频轴流泵、电子流量计、比例电磁阀和流量控制终端；

所述设备室与所述集水室通过所述固定式隔板隔离，所述双向变频轴流泵、电子流量计和比例电磁阀均设于所述设备室内，所述给水管和所述排水管均与所述集水室连通，所述活动式隔板通过蝶铰链与所述回水廊道的内壁连接，所述活动式隔板将所述集水室与所述回水廊道分隔；

所述第一刚性套管一端向所述行进波浪水槽方向延伸至所述设备室外侧，所述第一刚性套管另一端与所述比例电磁阀连接，所述比例电磁阀与所述双向变频轴流泵连接，所述双向变频轴流泵与所述电子流量计连接，所述电子流量计与第二刚性套管连接，所述第二刚性套管伸入所述集水室内；所述比例电磁阀和所述电子流量计还分别与所述流量控制终端电连接。

进一步地，所述动力特性参数测试系统包括信号发生器、功率放大器、高能激振器、刚性连接杆、位移传感器、数据采集器和数据分析仪；

所述信号发生器与所述功率放大器电连接，所述功率放大器与所述高能激振器电连接，所述刚性连接杆水平布置，其一端与所述海上风机一体化结构模型连接，其另一端与所述高能激振器连接，所述位移传感器一端与所述海上风机一体化结构模型连接，其另一端与所述数据采集器电连接，所述数据采集器与所述数据分析仪电连接；

所述信号发生器、功率放大器、高能激振器以及所述刚性连接杆均架设于所述海上风机一体化结构模型的一侧，所述位移传感器、数据采集器以及数据分析仪均架设于所述海上风机一体化结构模型的另一侧。

进一步地，所述位移传感器设有多个，多个所述位移传感器均通过固定支架架设于所述海上风机一体化结构模型的另一侧。

进一步地，所述固定支架竖直布置且其一端焊接于所述行进波浪水槽的内侧壁上，多个所述位移传感器竖向等间距固定安装于所述固定支架上。

另一方面，本发明还提供了一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验方法，该方法包括：

步骤1：在行进波浪水槽内铺设试验模拟用的海床地基，并向行进波浪水槽中慢慢注水，使海床地基沉降固结；

步骤2：根据模型试验相似原理设定海上风机一体化结构模型的比尺，将海上风机一体化结构模型一端竖直埋设于海床地基中；

步骤3：对风荷载模拟系统、生潮系统和动力特性参数测试系统中的测试用器件进行试验前的检查和调试，并测试海上风机一体化结构模型的初始动力特性参数；

步骤4：根据模拟海况下的波浪参数，由重力相似准则确定试验中的目标波高和波浪周期，根据得到的目标波高和波浪周期设置造波机的频率，对海上风机一体化结构模型加设波浪荷载；

步骤5：根据模拟海域风暴潮时的波浪风力参数，获得脉动风荷载时程曲线，并对海上风机一体化结构模型施加脉动风荷载；

步骤6：通过生潮系统控制潮位升降，实现目标潮位的模拟；

步骤7：在波浪荷载、脉动风荷载、潮位异常升降作用下，重复测试海上风机一体化结构模型的动力特性参数，得到风暴潮浪作用下海上风机一体化结构模型的动力特性参数演化规律。

进一步地，所述步骤5具体包括：

1)根据模拟海域风暴潮时的波浪风力参数，由重力相似准则确定试验中的风速和作用时间，根据已有的脉动风速功率谱获得脉动风荷载的时程曲线；

2)对输入电气比例阀的电流信号与作用力之间的关系进行标定；

3)根据脉动风荷载的时程曲线以及标定出的输入电气比例阀的电流信号与作用力之间的关系，施加脉动风荷载。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置及方法，该方法尽可能完整的模拟出了海上风机在风暴潮浪作用下的受荷状态，能同时对海上风机一体化模型进行水平波浪荷载、风荷载、潮位升降等多种海上环境的模拟，从而得到的风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数的演化规律更接近于实际海上环境，具有更高的参考价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置的结构示意图；

图2附图为本发明实施例中风荷载模拟系统中恒压储气罐的局部结构示意图；

图3附图为本发明实施例中生潮系统的俯视图；

图4附图为本发明提供的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验方法的流程示意图；

图5附图为本发明实施例中动力特性参数测试系统中数据分析过程示意图；

图6附图为本发明实施例中动力特性参数测试系统得到的频响函数特征曲线图；

图7附图为本发明实施例中脉动风荷载的施加过程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一方面，参见附图1-3，本发明实施例公开了一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，该装置包括：

行进波浪水槽1，行进波浪水槽1内填装有试验模拟用的海床地基；

造波机2，造波机2设置于行进波浪水槽1的一端并与行进式波浪水槽1固定连接；

波高仪3，波高仪3设置于靠近造波机2的位置，波高仪3与行进式波浪水槽1的一侧外壁固定连接；

海上风机一体化结构模型，海上风机一体化结构模型竖直布置，且其一端埋设于海床地基中；

风荷载模拟系统，风荷载模拟系统架设于行进波浪水槽1上方靠近海上风机一体化结构模型的位置，风荷载模拟系统用于在不同高度模拟施加风荷载；

生潮系统，生潮系统布置于行进波浪水槽1和造波机2的周侧，并与行进波浪水槽1和造波机2固定连接；

动力特性参数测试系统，动力特征参数测试系统架设于行进波浪水槽1的上方，动力特性参数测试系统用于对模拟过程中的数据进行采集和分析处理。

在本实施例中，整个试验装置的尺寸为：18m×1.5m×1.6m(长×宽×高)，行进波浪水槽1的尺寸为：15m×1.0m×1.6m(长×宽×高)，行进波浪水槽1由角钢骨架和透明有机玻璃组成，角钢骨架的四面通过透明有机玻璃密封成型。

在一个具体的实施例中，上述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置还包括消波堤4，消波堤4设置于行进波浪水槽1的另一端并与行进波浪水槽1固定连接。本实施例中的造波机2能产生行进波浪，波高仪3能量测产生波浪的波高，消波堤4能消除波浪反射对试验的影响。

在一个具体的实施例中，海上风机一体化结构模型包括基础件5、塔架6、轮毂8和叶片7，基础件5埋设于行进波浪水槽1内的海床地基中，塔架6的一端与基础件5固定连接；其另一端与轮毂8固定连接，叶片7与轮毂8可枢转的连接。

具体地，基础件5可以选择多种基础型式，如桩基础、桶型基础、导管架基础、三脚架基础等；优选的，风荷载作用下叶片7能自由转动，从而模拟叶片转动对塔架6的遮蔽效应。

在一个具体的实施例中，风荷载模拟系统包括空气压缩机9、气压控制表11、恒压储气罐12、T形输气管13、电气比例阀14、喷气管15和信号处理器16；

空气压缩机9通过软管10与气压控制表11连接，气压控制表11通过软管10与恒压储气罐12连接，T形输气管13设有多个，多个T形输气管13竖向布置且均与恒压储气罐12活动连接，T形输气管13与电气比例阀14连接，电气比例阀14与喷气管15连接；电气比例阀14还与信号处理器16电连接；

空气压缩机9、气压控制表11、恒压储气罐12和信号处理器16均通过平台架设于行进波浪水槽1的上方靠近海上风机一体化结构模型的位置。

在一个具体的实施例中，参见附图2，恒压储气罐12上具有两条平行的导轨41，每条导轨41内均设有多个等间距布置的排气孔40，T型输气管13两端分别安装于导轨41内并在导轨41内自由滑动。

在本实施例中，风荷载模拟系统中由信号处理器16控制电气比例阀14的出气量，从而模拟风荷载的时程变化；恒压储气罐12上竖直方向设置有导轨41，T形输气管13可在导轨41内竖向自由滑动，导轨41内设置有多个排气孔40，当T形输气管13与排气孔40处于同一高度位置处，T形输气管13与排气孔40连通，恒压储气罐12内的气体才能喷出，从而可在多个高度处模拟风荷载的施加。

在一个具体的实施例中，参见附图1和图3，生潮系统包括首生潮子系统42、尾生潮子系统43、回水廊道29、给水管30和排水管31；

首生潮子系统42和尾生潮子系统43对称的设置于进波浪水槽1的两端，首生潮子系统42和尾生潮子系统43通过回水廊道29连通，首生潮子系统42、尾生潮子系统43和回水廊道29围合成U型结构；给水管30和排水管31均与首生潮子系统42或尾生潮子系统43连通。

在本实施例中，参见附图1和图3，首生潮子系统42的集水室26外侧和尾生潮子系统43的集水室26外侧均连接有给水管30和排水管31。

在一个具体的实施例中，首生潮子系统42或尾生潮子系统43包括设备室23、集水室26、固定式隔板24、活动式隔板27、第一刚性套管18、第二刚性套管25、输水管20、双向变频轴流泵19、电子流量计21、比例电磁阀17和流量控制终端22；

设备室23与集水室26通过固定式隔板24隔离，双向变频轴流泵19、电子流量计21和比例电磁阀17均设于设备室23内，给水管30和排水管31均与集水室26连通，活动式隔板27通过蝶铰链28与回水廊道29的内壁连接，活动式隔板27将集水室26与回水廊道29分隔；

第一刚性套管18的一端向行进波浪水槽1方向延伸至设备室23外侧，第一刚性套管18的另一端与比例电磁阀17连接，比例电磁阀17与双向变频轴流泵19连接，双向变频轴流泵19与电子流量计21连接，电子流量计21与第二刚性套管25连接，第二刚性套管25伸入集水室26内；比例电磁阀17和电子流量计21还分别与流量控制终端22电连接。

具体地，第一刚性套管18是钢管外加止水环，穿过行进波浪水槽1的端壁，用于造流管道进入行进波浪水槽1；第二刚性套管25是钢管外加止水环，穿过固定式隔板24，用于造流管道进入集水室26内。

在本实施例中，首(尾)生潮子系统主要利用比例电磁阀17在电信号控制下对流量的快速、连续调节而实现的；更优选的，模拟极端风暴潮条件时，可同时开启首、尾生潮子系统，实现潮位的陡升。

在一个具体的实施例中，动力特性参数测试系统包括信号发生器32、功率放大器33、高能激振器34、刚性连接杆35、位移传感器36、数据采集器37和数据分析仪38；

信号发生器32与功率放大器33电连接，功率放大器33与高能激振器34电连接，刚性连接杆35水平布置，其一端与海上风机一体化结构模型连接，其另一端与高能激振器34连接，位移传感器36的一端与海上风机一体化结构模型连接，其另一端与数据采集器37电连接，数据采集器37与数据分析仪38电连接；

信号发生器32、功率放大器33、高能激振器34以及刚性连接杆35均架设于海上风机一体化结构模型的一侧，位移传感器36、数据采集器37以及数据分析仪38均架设于海上风机一体化结构模型的另一侧。

在一个具体的实施例中，位移传感器36设有多个，多个位移传感器36均通过固定支架39架设于海上风机一体化结构模型的另一侧。

在一个具体的实施例中，固定支架39竖直布置且其一端焊接于行进波浪水槽1的内侧壁上，多个位移传感器36竖向等间距固定安装于固定支架39上。在本实施例中，固定支架39由8mm厚的角钢焊接而成。

综上所述，本发明实施例公开的测试风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数演化的试验装置，不仅适用范围广、模拟精度高，还考虑尽可能完整地模拟海上风机在风暴潮浪作用下的受荷状态，能同时模拟水平波浪荷载、风荷载、潮汐现象，从而得到风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数的演化规律，该试验装置对海上风机设计和维护具有重要意义。

另一方面，参见附图4，本发明还提供了一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验方法，该方法包括：

S1：在行进波浪水槽内铺设试验模拟用的海床地基，并向行进波浪水槽中慢慢注水，使海床地基沉降固结；

S2：根据模型试验相似原理设定海上风机一体化结构模型的比尺，将海上风机一体化结构模型一端竖直埋设于海床地基中；

S3：对风荷载模拟系统、生潮系统和动力特性参数测试系统中的测试用器件进行试验前的检查和调试，并测试海上风机一体化结构模型的初始动力特性参数；

S4：根据模拟海况下的波浪参数，由重力相似准则确定试验中的目标波高和波浪周期，根据得到的目标波高和波浪周期设置造波机的频率，对海上风机一体化结构模型加设波浪荷载；

S5：根据模拟海域风暴潮时的波浪风力参数，获得脉动风荷载时程曲线，并对海上风机一体化结构模型施加脉动风荷载；

S6：通过生潮系统控制潮位升降，实现目标潮位的模拟；

S7：在波浪荷载、脉动风荷载、潮位异常升降作用下，重复测试海上风机一体化结构模型的动力特性参数，得到风暴潮浪作用下海上风机一体化结构模型的动力特性参数演化规律。

在一个具体的实施例中，步骤S5具体包括：

1)根据模拟海域风暴潮时的波浪风力参数，由重力相似准则确定试验中的风速和作用时间，根据已有的脉动风速功率谱获得脉动风荷载的时程曲线；

2)对输入电气比例阀的电流信号与作用力之间的关系进行标定；

3)根据脉动风荷载的时程曲线以及标定出的输入电气比例阀的电流信号与作用力之间的关系，施加脉动风荷载。

下面对上述测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验方法做细化描述，如下：

(1)将试验模拟的海床土样风干后，筛去较大石块、碎石，将过筛后的土样放入泥浆搅拌器加水搅拌，充分搅拌至含水率达到30％左右，保证制备土样具有一定的流动性，将土样缓慢倒入行进波浪水槽中，至厚度大约为60cm为止。向行进波浪水槽中慢慢注水，至厚度50cm时停止加水，并静置24h，使海床土完成初始沉降固结；

(2)根据模型试验相似原理选择海上风机一体化结构模型的比尺，在海床中埋置基础件；沿塔架竖直方向布置多个位移传感器，位移传感器安装在固定支架上，在试验前检验位移传感器及数据采集系统是否正常；

(3)测试海上风机一体化结构模型的初始动力特性参数(如自振频率、阻尼比等)，采用一点激振、多点拾振和频域分析法进行动力特性参数识别，动力特性参数识别过程见图5所示。

调整动力特性参数测试系统中的信号发生器，使其输出稳态正弦激振信号，调整功率放大器使高能激振器输出一定大小的正弦激振力，通过与高能激振器相连的刚性连接杆将输出的正弦激振力作用于海上风机一体化结构模型上；改变高能激振器的频率从低频至高频线性扫描，将位移传感器采集的时域信号经过数据分析仪内置的快速傅里叶变换得到频域信号，从而获得位移频响函数H(ω)及相应的频响函数特征曲线(如图6所示)，根据图6，曲线与横轴的交点M为位移的谐振点，对应着测试对象的自振频率ω₀，曲线上正负极值点A、B对应两个半功率点，由半功率带宽按下式确定测试对象的阻尼比η；

(4)根据模拟海况下的波浪参数，由重力相似准则确定试验中的波高、波浪周期，设置造波机频率，启动造波机，根据波高仪测得的波高调整造波机功率，使输出的波高、波周期满足目标波高、波周期，按目标波高、波周期进行连续造波；造波机的另一端设置有消波堤，减小波浪反射对试验结果的影响；

(5)风荷载的施加主要利用电气比例阀控制喷出气体产生的作用力大小而实现的，电气比例阀是根据控制信号的大小调整阀芯的截面面积，调节所需要的气流量，由电信号控制气流量，可以实现对气流量的连续、无级调节；试验中风荷载的施加步骤如下：

①获得脉动风荷载的时程曲线

风荷载包括平均风和脉动风两部分，平均风周期通常在10min以上，对风机结构的作用可按静力考虑，而脉动风周期通常只有几秒，速度在空间随机变化，会引起风机结构的振动响应，本试验装置的风荷载系统主要考虑脉动风荷载对风机结构的作用力；

根据模拟海域风暴潮时的波浪风力参数，由重力相似准则确定试验中的风速、作用时间，对脉动风荷载的时程曲线的获得借助已有的脉动风速功率谱，本试验方法以常用的考虑不同高度湍流度变化的Kaimal谱为例进行说明，Kaimal顺风向脉动风速谱为下式：

式中：S_v(z,f)-脉动风速功率谱；f-脉动风频率；v_*-摩擦速度；

为z高度处平均风速；

假设对风机一体化结构模型沿塔架方向高度为z_i(i＝1,...,n)的n个点(n≥1)施加脉动风荷载，根据Kaimal谱可以得到1个n×n阶的互谱密度函数矩阵，采用谐波叠加法对互谱密度函数矩阵进行分解，可得到n个点的脉动风速时程函数v(z_i,t)，根据下式可得到n个点对应的脉动风荷载时程函数F(t)：

式中：C_d-拖拽力系数；ρ_air-空气密度；A-风荷载作用面积；

②标定输入电气比例阀的电流信号与作用力之间的关系

启动空气压缩机，调整气压控制表，使恒压储气罐中的气体处于某一恒定压力下，调整信号处理器输出不同大小的电流信号，用风力仪测量喷气管喷出气体的作用力，通过拟合电流信号-气体作用力的关系曲线，可以得到该恒定压力下输出风力大小与驱动电流信号间的关系；

③施加脉动风荷载

结合附图2，在恒压储气罐12的导轨41上安装n个T形输气管13，每个T形输气管13连接有电气比例阀14和喷气管15，T形输气管13可以在恒压储气罐12的导轨41内竖直方向自由滑动，导轨41内布置有连续若干个排气孔40，当T形输气管13与排气孔40处于同一高度位置处，T形输气管13与排气孔40连通，恒压储气罐12内的气体才能喷出，调节n个T形输气管13的高度分别为z_i(i＝1,...,n)，使T形输气管13与排气孔40连通；启动空气压缩机9，调整气压控制表11，使恒压储气罐12中的气体处于某一恒定压力下，将①中得到的脉动风荷载时程函数F(t)输入信号处理器16，信号处理器16根据②中得到的电流大小与作用力之间的关系将脉动风荷载时程函数F(t)转化为驱动电流信号，驱动电流信号控制电气比例阀14阀芯的截面面积，调节所需要的气流量，连由喷气管15喷出的气体产生的作用力完成脉动风荷载的施加(整个脉动风荷载的施加过程如图7所示)；

(6)风暴潮等极端气象条件下，水位会短时内陡升，为实现行进波浪水槽内水位的短时陡升，在行进波浪水槽两端部分别布置首生潮子系统和尾生潮子系统，生潮系统主要利用比例电磁阀在电信号控制下对流量的快速、连续调节而实现的，双向变频轴流泵能根据比例电磁阀控制的流量大小而变频运行。

试验中实现潮位升降的步骤如下：

①标定水位变化率与流量之间的关系

通过流量控制终端设定某一流量值Q，打开给水管，向集水室供水，接近预设水位后，启动双向变频轴流泵，向行进波浪水槽中注水，记录经过Δt时间行进波浪水槽中水位的升高值Δh，从而得到流量值Q时水位变化率

通过流量控制终端改变不同的流量值Q，得到多组不同流量值Q对应的水位变化率

拟合得到流量值Q与水位变化率的关系；

②实现目标潮位的模拟

根据模拟的风暴潮条件下水位的变化率

根据①中的流量值Q与水位变化率

的拟合关系，得到对应的流量值Q，通过流量控制终端设定该流量值并传输给比例电磁阀，由比例电磁阀调节到目标流量值，从而实现对目标潮位的模拟；

水位陡降时，工作原理基本类似；

(7)在波浪荷载、脉动风荷载、潮位异常升降作用下，可重复进行步骤(3)，测得风暴潮浪不同作用时间内海上风机一体化结构模型的自振频率ω₀、阻尼比η，从而得到风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数演化规律。

综上所述，本发明实施例公开的测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验方法，与现有技术相比，具有如下优点：

该方法尽可能完整的模拟出了海上风机在风暴潮浪作用下的受荷状态，能同时对海上风机一体化模型进行水平波浪荷载、风荷载、潮位升降等多种海上环境的模拟，从而得到的风暴潮浪作用下海上风机动力特性参数的演化规律更接近于实际海上环境，具有更高的参考价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，包括：

行进波浪水槽，所述行进波浪水槽内填装有试验模拟用的海床地基；

造波机，所述造波机设置于所述行进波浪水槽一端并与所述行进式波浪水槽固定连接；

波高仪，所述波高仪设置于靠近所述造波机的位置，所述波高仪与所述行进式波浪水槽的一侧外壁固定连接；

海上风机一体化结构模型，所述海上风机一体化结构模型竖直布置，且其一端埋设于所述海床地基中；

风荷载模拟系统，所述风荷载模拟系统架设于所述行进波浪水槽上方靠近所述海上风机一体化结构模型的位置，所述风荷载模拟系统用于在不同高度模拟施加风荷载；

生潮系统，所述生潮系统布置于所述行进波浪水槽和所述造波机的周侧，并与所述行进波浪水槽和所述造波机固定连接；

动力特性参数测试系统，所述动力特征参数测试系统架设于所述行进波浪水槽的上方，所述动力特性参数测试系统用于对模拟过程中的数据进行采集和分析处理。

2.根据权利要求1所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，还包括消波堤，所述消波堤设置于所述行进波浪水槽的另一端并与所述行进波浪水槽固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，所述海上风机一体化结构模型包括基础件、塔架、轮毂和叶片，所述基础件埋设于所述行进波浪水槽内的海床地基中，所述塔架一端与所述基础件固定连接；其另一端与所述轮毂固定连接，所述叶片与所述轮毂可枢转的连接。

4.根据权利要求1所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，所述风荷载模拟系统包括空气压缩机、气压控制表、恒压储气罐、T形输气管、电气比例阀、喷气管和信号处理器；

所述空气压缩机通过软管与所述气压控制表连接，所述气压控制表通过软管与所述恒压储气罐连接，所述T形输气管设有多个，多个所述T形输气管竖向布置且均与所述恒压储气罐活动连接，所述T形输气管与所述电气比例阀连接，所述电气比例阀与所述喷气管连接；所述电气比例阀还与所述信号处理器电连接；

所述空气压缩机、气压控制表、恒压储气罐和信号处理器均通过平台架设于所述行进波浪水槽上方靠近所述海上风机一体化结构模型的位置。

5.根据权利要求4所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，所述恒压储气罐上具有两条平行的导轨，每条所述导轨内均设有多个等间距布置的排气孔，所述T型输气管两端分别安装于所述导轨内并在所述导轨内自由滑动。

6.根据权利要求1所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，所述生潮系统包括首生潮子系统、尾生潮子系统、回水廊道、给水管和排水管；

所述首生潮子系统和所述尾生潮子系统对称的设置于所述进波浪水槽的两端，所述首生潮子系统和所述尾生潮子系统通过所述回水廊道连通，所述首生潮子系统、尾生潮子系统和回水廊道围合成U型结构；所述给水管和所述排水管均与所述首生潮子系统或所述尾生潮子系统连通。

7.根据权利要求6所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，所述首生潮子系统或所述尾生潮子系统包括设备室、集水室、固定式隔板、活动式隔板、第一刚性套管、第二刚性套管、输水管、双向变频轴流泵、电子流量计、比例电磁阀和流量控制终端；

所述设备室与所述集水室通过所述固定式隔板隔离，所述双向变频轴流泵、电子流量计和比例电磁阀均设于所述设备室内，所述给水管和所述排水管均与所述集水室连通，所述活动式隔板通过蝶铰链与所述回水廊道的内壁连接，所述活动式隔板将所述集水室与所述回水廊道分隔；

所述第一刚性套管一端向所述行进波浪水槽方向延伸至所述设备室外侧，所述第一刚性套管另一端与所述比例电磁阀连接，所述比例电磁阀与所述双向变频轴流泵连接，所述双向变频轴流泵与所述电子流量计连接，所述电子流量计与第二刚性套管连接，所述第二刚性套管伸入所述集水室内；所述比例电磁阀和所述电子流量计还分别与所述流量控制终端电连接。

8.根据权利要求1所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装置，其特征在于，所述动力特性参数测试系统包括信号发生器、功率放大器、高能激振器、刚性连接杆、位移传感器、数据采集器和数据分析仪；

所述信号发生器与所述功率放大器电连接，所述功率放大器与所述高能激振器电连接，所述刚性连接杆水平布置，其一端与所述海上风机一体化结构模型连接，其另一端与所述高能激振器连接，所述位移传感器一端与所述海上风机一体化结构模型连接，其另一端与所述数据采集器电连接，所述数据采集器与所述数据分析仪电连接；

所述信号发生器、功率放大器、高能激振器以及所述刚性连接杆均架设于所述海上风机一体化结构模型的一侧，所述位移传感器、数据采集器以及数据分析仪均架设于所述海上风机一体化结构模型的另一侧。

9.一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验方法，其特征在于，包括：

步骤1：在行进波浪水槽内铺设试验模拟用的海床地基，并向行进波浪水槽中慢慢注水，使海床地基沉降固结；

步骤2：根据模型试验相似原理设定海上风机一体化结构模型的比尺，将海上风机一体化结构模型一端竖直埋设于海床地基中；

步骤3：对风荷载模拟系统、生潮系统和动力特性参数测试系统中的测试用器件进行试验前的检查和调试，并测试海上风机一体化结构模型的初始动力特性参数；

步骤4：根据模拟海况下的波浪参数，由重力相似准则确定试验中的目标波高和波浪周期，根据得到的目标波高和波浪周期设置造波机的频率，对海上风机一体化结构模型加设波浪荷载；

步骤5：根据模拟海域风暴潮时的波浪风力参数，获得脉动风荷载时程曲线，并对海上风机一体化结构模型施加脉动风荷载；

步骤6：通过生潮系统控制潮位升降，实现目标潮位的模拟；

步骤7：在波浪荷载、脉动风荷载、潮位异常升降作用下，重复测试海上风机一体化结构模型的动力特性参数，得到风暴潮浪作用下海上风机一体化结构模型的动力特性参数演化规律。

10.根据权利要求9所述的一种测试风浪作用下海上风机动力参数演化的试验装方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

1)根据模拟海域风暴潮时的波浪风力参数，由重力相似准则确定试验中的风速和作用时间，根据已有的脉动风速功率谱获得脉动风荷载的时程曲线；

2)对输入电气比例阀的电流信号与作用力之间的关系进行标定；

3)根据脉动风荷载的时程曲线以及标定出的输入电气比例阀的电流信号与作用力之间的关系，施加脉动风荷载。

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