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Numerical Study on the Aerodynamic and Fluid−Structure Interaction of An NREL-5MW Wind Turbine
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作者 ZHAO Mi YU Wan-li +2 位作者 wang pi-guang QU Yang DU Xiu-li 《China Ocean Engineering》 SCIE EI CSCD 2024年第3期363-378,共16页
A 5-MW wind turbine has been modeled and analyzed for fluid-structure interaction and aerodynamic performance.In this study, a full-scale model of a 5-MW wind turbine is first developed based on a computational fluid ... A 5-MW wind turbine has been modeled and analyzed for fluid-structure interaction and aerodynamic performance.In this study, a full-scale model of a 5-MW wind turbine is first developed based on a computational fluid dynamics(CFD) approach, in which the unsteady, noncompressible Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS) method is used. The main focus of the study is to analyze the tower shadow effect on the aerodynamic performance of the wind turbine under different inlet flow conditions. Subsequently, the finite element model is established by considering fluid/structure interactions to study the structural stress, displacement, strain distributions and flow field information of the structure under the uniform wind speed. Finally, the fluid-structure interaction model is established by considering turbulent wind and the tower shadow effect. The variation rules of the dynamic response of the one-way and two-way fluid-structure interaction(FSI) models under different wind speeds are analyzed, and the numerical calculation results are compared with those of the centralized mass model. The results show that the tower shadow effect and structural deformation are the main factors affecting the aerodynamic load fluctuation of the wind turbine, which in turn affects the aerodynamic performance and structural stability of the blades. The structural dynamic response of the coupled model shows significant similarity, while the structural displacement response of the former exhibits less fluctuation compared with the conventional centralized mass model. The one-way fluid-structure interaction(FSI)model shows a higher frequency of stress-strain and displacement oscillations on the blade compared with the two-way FSI model. 展开更多
关键词 computational fluid dynamics methods(CFD) tower shadow effect aerodynamic performance fluidstructure interaction space flow field
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Analytical Solution and Simplified Formula for Added Mass of Horizontal and Vertical Motions of Truncated Cylinders Under Earthquake Action
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作者 wang pi-guang LYU Si-yu +2 位作者 QU Yang ZHAO Mi DU Xiu-li 《China Ocean Engineering》 SCIE EI CSCD 2024年第1期54-67,共14页
This paper investigates the hydrodynamic characteristics of floating truncated cylinders undergoing horizontal and vertical motions due to earthquake excitations in the finite water depth.The governing equation of the... This paper investigates the hydrodynamic characteristics of floating truncated cylinders undergoing horizontal and vertical motions due to earthquake excitations in the finite water depth.The governing equation of the hydrodynamic pressure acting on the cylinder is derived based on the radiation theory with the inviscid and incompressible assumptions.The governing equation is solved by using the method of separating variables and analytical solutions are obtained by assigning reasonable boundary conditions.The analytical result is validated by a numerical model using the exact artificial boundary simulation of the infinite water.The main variation and distribution characteristics of the hydrodynamic pressure acting on the side and bottom of the cylinder are analyzed for different combinations of wide-height and immersion ratios.The added mass coefficient of the cylinder is calculated by integrating the hydrodynamic pressure and simplified formulas are proposed for engineering applications.The calculation results show that the simplified formulas are in good agreement with the analytical solutions. 展开更多
关键词 EARTHQUAKE hydrodynamic pressure truncated cylinder added mass simplified formula
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海上风电桩-筒复合基础承载性能研究 被引量:1
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作者 孙艳国 许成顺 +3 位作者 杜修力 王丕光 席仁强 孙毅龙 《工程科学学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第3期489-498,共10页
基于有限元软件ABAQUS平台,建立了非匀质饱和黏土场地的海上风电桩–筒复合基础数值计算模型,对比研究竖向荷载V、水平荷载H和弯矩荷载M作用下不同筒结构尺寸的桩–筒复合基础的承载力系数,并采用正交试验法开展桩–筒复合基础的各向承... 基于有限元软件ABAQUS平台,建立了非匀质饱和黏土场地的海上风电桩–筒复合基础数值计算模型,对比研究竖向荷载V、水平荷载H和弯矩荷载M作用下不同筒结构尺寸的桩–筒复合基础的承载力系数,并采用正交试验法开展桩–筒复合基础的各向承载性能的影响因素研究.结果表明,饱和黏土的非匀质特性系数K对竖向承载力系数N_(cV)影响较小;K对水平承载力系数N_(cH)和抗弯承载力系数N_(cM)的影响呈指数型递减.筒结构直径D和入土深度L对各向承载力系数的影响存在交互作用.D对桩–筒复合基础承载力系数的影响最大,可以通过增加筒结构直径从而有效地提高桩–筒复合基础的承载性能.研究结果为海上风电桩–筒复合基础的设计提供了依据. 展开更多
关键词 海上风电 桩–筒复合基础 非匀质饱和黏土 承载力系数 正交试验
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桩顶水平动荷载作用下水-桩-土相互作用的解析解 被引量:12
4
作者 赵密 黄义铭 +2 位作者 王丕光 徐海滨 杜修力 《岩土工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第5期907-915,I0006,共10页
近海结构单桩基础一般会遭受到多种水平动力荷载作用。针对端承桩在桩顶水平动力荷载作用下的动力响应问题,建立了一种三维水-桩-土相互作用系统模型;首先,桩和土体假设为线黏弹性介质,水体假设为线性声学介质;然后通过亥姆霍兹分解和... 近海结构单桩基础一般会遭受到多种水平动力荷载作用。针对端承桩在桩顶水平动力荷载作用下的动力响应问题,建立了一种三维水-桩-土相互作用系统模型;首先,桩和土体假设为线黏弹性介质,水体假设为线性声学介质;然后通过亥姆霍兹分解和分离变量法,给出了水体和土体阻抗对水-桩-土相互作用系统中桩体动力响应的解析解,进一步根据桩与水体、土体接触界面的连续条件,得到频域下桩体位移表达式。通过与子结构方法进行对比,验证了本文解析解的合理性;最后研究了不同桩体和土体参数时水体对桩体顶部位移响应的影响。结果表明,在海上桩基设计中考虑水-桩-土相互作用是非常有必要的。 展开更多
关键词 近海结构 解析解 水平振动 桩-水相互作用 桩-土相互作用
原文传递
动水力简化计算方法对圆形桥墩传递函数的影响 被引量:5
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作者 郭婕 赵密 +1 位作者 王丕光 杜修力 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2020年第2期50-61,共12页
刚性柱法、莫里森法和基频近似法是可供工程应用的不可压缩无粘性水体地震动水力的简化计算方法。为研究上述方法的差异性,将基于不可压缩无粘性水体辐射理论推导的考虑结构变形的精确解作为标准,从频域传递函数的角度,对各简化方法进... 刚性柱法、莫里森法和基频近似法是可供工程应用的不可压缩无粘性水体地震动水力的简化计算方法。为研究上述方法的差异性,将基于不可压缩无粘性水体辐射理论推导的考虑结构变形的精确解作为标准,从频域传递函数的角度,对各简化方法进行比较分析。以水中悬臂圆柱墩为例,选取2个尺寸参数并设计了84种不同尺寸的桥墩,输入脉冲激励得到墩顶节点的位移传递函数、墩底节点的剪力和弯矩传递函数,提取各传递函数的前两阶共振峰幅值和共振频率,基于标准解结果求得3种简化方法的误差。通过分析误差的范围及变化趋势,发现刚性柱法所得共振峰幅值更精确,基频近似法所得共振周期更精确,莫里森法误差受参数的影响显著。此外,基频近似法所得共振峰幅值大多偏小,而莫里森法所得幅值和周期大多偏大。 展开更多
关键词 动水力 简化计算方法 频域传递函数 计算精度比较 圆形桥墩
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水-椭圆柱体相互作用分析的精确和简化模型 被引量:4
6
作者 王丕光 黄义铭 +2 位作者 赵密 杜修力 刘晶波 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第4期619-625,共7页
针对柔性椭圆柱体在水中的振动问题,提出一种代替水-结构动力相互作用的附加质量模型.基于椭圆柱体动水压力的计算公式建立了水中椭圆柱体的自由振动方程,进一步推导了水中椭圆柱体自振频率和振型的解析公式;基于振型叠加法推导了水中... 针对柔性椭圆柱体在水中的振动问题,提出一种代替水-结构动力相互作用的附加质量模型.基于椭圆柱体动水压力的计算公式建立了水中椭圆柱体的自由振动方程,进一步推导了水中椭圆柱体自振频率和振型的解析公式;基于振型叠加法推导了水中椭圆柱体地震动力反应的计算公式;通过附加质量代替水-结构相互作用,提出了水中椭圆柱体自振频率的计算公式;通过曲线拟合给出了附加质量的简化计算公式,该简化公式数学表达简单,适用于工程应用. 展开更多
关键词 动水压力 椭圆柱体 地震反应 振型叠加法 附加质量
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一种高精度圆柱形人工边界条件:水-柱体相互作用问题 被引量:6
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作者 王丕光 赵密 +1 位作者 李会芳 杜修力 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2019年第1期88-95,共8页
针对水-柱体动力相互作用问题,提出一种用于模拟无限域水体的圆柱形高精度时域人工边界条件。首先,基于三维可压缩水体的波动方程和边界条件,采用分离变量法建立了时空全局的精确人工边界条件;然后,将其动力刚度表示为外域模型和波导模... 针对水-柱体动力相互作用问题,提出一种用于模拟无限域水体的圆柱形高精度时域人工边界条件。首先,基于三维可压缩水体的波动方程和边界条件,采用分离变量法建立了时空全局的精确人工边界条件;然后,将其动力刚度表示为外域模型和波导模型人工边界条件动力刚度的嵌套形式;之后,应用时间局部化方法得到时间局部的高精度人工边界条件;最后,离散高精度人工边界条件,并将其与近场有限元方程耦合,形成一种能够采用显式时间积分方法求解的时间二阶常微分方程组。数值算例表明:提出的三维圆柱形高精度人工边界条件精确、高效、稳定。 展开更多
关键词 地震 水-结构相互作用 有限元法 人工边界条件 无限域
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考虑水体压缩性的椭圆柱体地震动水压力分析 被引量:6
8
作者 王丕光 赵密 杜修力 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2018年第7期55-61,共7页
地震作用下水与柱体结构的相互作用会对结构产生动水压力,该文研究椭圆柱体的地震动水压力。首先,基于椭圆坐标系推导了椭圆柱体地震动水压力的解析解;其次,通过ABAQUS声固耦合方法验证了提出的椭圆柱体地震动水压力的解析解,算例表明... 地震作用下水与柱体结构的相互作用会对结构产生动水压力,该文研究椭圆柱体的地震动水压力。首先,基于椭圆坐标系推导了椭圆柱体地震动水压力的解析解;其次,通过ABAQUS声固耦合方法验证了提出的椭圆柱体地震动水压力的解析解,算例表明两者误差在1%左右;最后,引入无量纲参数数频率、宽深比和长短轴比,定量分析了水体压缩性对地震动水压力的影响。 展开更多
关键词 地震 动水压力 椭圆柱体 水体压缩性 辐射波浪理论
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水下爆炸荷载作用下圆柱结构反射压力解析计算方法研究 被引量:5
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作者 闫秋实 张志杰 +2 位作者 王丕光 宝鑫 李述涛 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2022年第7期247-256,共10页
为助于桥梁、码头等近海结构的抗爆和防护设计,该文拟针对近海结构中常见的等截面圆柱结构,提出一种计算水下爆炸情况中冲击波作用下圆柱分布反射压力的高效解析算法。基于绕射波浪理论,该文根据水体状态方程和边界条件,在柱坐标系下通... 为助于桥梁、码头等近海结构的抗爆和防护设计,该文拟针对近海结构中常见的等截面圆柱结构,提出一种计算水下爆炸情况中冲击波作用下圆柱分布反射压力的高效解析算法。基于绕射波浪理论,该文根据水体状态方程和边界条件,在柱坐标系下通过分离变量法推导圆柱结构反射压力的时域解;通过数值模拟对比验证该文提出的反射压力时域解的计算精度,数值算例表明二者计算误差在工程允许范围内;基于考虑水体压缩性的时域子结构分析方法,通过对比该文提出的未考虑水体压缩性的解析方法,分析了水体压缩性对反射压力的影响。 展开更多
关键词 水下爆炸 反射压力 圆柱 绕射波浪理论 水体压缩性
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地震作用下水-结构-土动力相互作用分析 被引量:3
10
作者 赵密 苏成坤 +2 位作者 王丕光 王晓静 何卫平 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2022年第3期51-63,共13页
该文基于ABAQUS建立了地震作用下水-结构-土系统数值模型,分析了地震动水平和竖向作用时在不同水深条件下水-结构、水-土相互作用对结构、土体和水体响应的影响。结果表明,水平地震动作用下水-土相互作用对系统响应的影响远小于水-结构... 该文基于ABAQUS建立了地震作用下水-结构-土系统数值模型,分析了地震动水平和竖向作用时在不同水深条件下水-结构、水-土相互作用对结构、土体和水体响应的影响。结果表明,水平地震动作用下水-土相互作用对系统响应的影响远小于水-结构相互作用,且对水、土、结构响应的影响较小,可忽略不计。竖向地震动作用下水-结构相互作用对系统响应的影响远小于水-土相互作用;水-结构相互作用对系统响应影响较小,做理论简化分析时可忽略这一部分,只考虑水-土动力相互作用。 展开更多
关键词 地震 二维结构 数值模拟 水-结构相互作用 水-土相互作用
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单桩式海上风力机整体化地震反应 被引量:4
11
作者 席仁强 杜修力 +2 位作者 王丕光 许成顺 许坤 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第4期757-766,共10页
为了探讨风-波浪-地震共同作用下单桩式海上风机(OWTs)的动力行为,以National Renewable Energy Laboratory(NREL)5 MW风力发电机为研究对象,将风、地震作为独立事件,根据风-波浪统计关系确定波浪谱参数.改进FAST软件以模拟土-结相互作... 为了探讨风-波浪-地震共同作用下单桩式海上风机(OWTs)的动力行为,以National Renewable Energy Laboratory(NREL)5 MW风力发电机为研究对象,将风、地震作为独立事件,根据风-波浪统计关系确定波浪谱参数.改进FAST软件以模拟土-结相互作用,考虑停机、运行和应急停机3种工况,采用气动-伺服-水动-弹性耦合方法分析海上风机地震响应.算例表明,工作状态显著影响海上风机支撑结构的运动和内力,规律与地震强弱有关;地震动显著影响叶片挥舞振动速度;在风-波浪-地震的共同作用下,海上风机支撑结构危险截面剪力和弯矩峰值超过极端风-波浪作用效应. 展开更多
关键词 单桩式海上风机 风-波浪-地震共同作用 风-波浪统计关系 土-结相互作用 地震响应
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考虑水-结构-土相互作用下深水圆柱的地震响应分析 被引量:3
12
作者 黄义铭 赵密 +2 位作者 王丕光 杜修力 刘晶波 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2021年第4期730-738,共9页
以水中圆柱体为模型,考虑水⁃结构⁃土的相互作用,研究柱体结构在地震和波浪共同作用下的动力响应。采用有限元法将柔性柱体结构离散为欧拉⁃伯努利梁单元,水⁃结构相互作用通过附加质量代替,土⁃结构相互作用通过线性弹簧代替。基于结构自... 以水中圆柱体为模型,考虑水⁃结构⁃土的相互作用,研究柱体结构在地震和波浪共同作用下的动力响应。采用有限元法将柔性柱体结构离散为欧拉⁃伯努利梁单元,水⁃结构相互作用通过附加质量代替,土⁃结构相互作用通过线性弹簧代替。基于结构自振频率分析,讨论土⁃结构和水⁃结构相互作用对结构自振频率的影响。研究土⁃结构相互作用、地震动水力和波浪力对柱体结构动力响应的影响。 展开更多
关键词 地震响应 水⁃结构⁃土相互作用 圆形柱体 附加质量 波浪力
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地震作用下水-轴对称柱体相互作用的子结构分析方法 被引量:2
13
作者 王晓静 赵密 +2 位作者 王丕光 杜修力 程星磊 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2021年第2期27-35,共9页
针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法。基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了... 针对水-轴对称柱体动力相互作用问题,提出了一种地震作用下水-结构相互作用的时域子结构分析方法。基于三维不可压缩水体的波动方程和边界条件,利用分离变量法将其转换为环向解析、竖向和径向数值的二维模型;基于比例边界有限元推导了截断边界处无限域水体的动力刚度方程,并将水体内域有限元方程和人工边界处的动水压力进行耦合,从而得到结构表面的动水压力方程;将轴对称柱体结构的有限元方程与动水压力方程耦合,从而得到水-轴对称柱体结构系统的时域有限元方程;数值算例验证该文提出的水-轴对称动力相互作用的子结构方法,结果表明:该文方法具有很高的精度和计算效率。通过对水中轴对称结构地震响应和自振频率的分析表明:地震动水压力对结构自振频率和动力响应的影响随水深的增加而增大。 展开更多
关键词 地震 轴对称柱体 水-轴对称结构相互作用 有限元 比例边界有限元
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海上风电复合基础承载性能对比研究 被引量:2
14
作者 孙艳国 许成顺 +3 位作者 杜修力 王丕光 席仁强 孙毅龙 《工程科学学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第6期1098-1107,共10页
受到上部结构自重以及海洋环境荷载的影响,海上风电基础设计时应考虑竖向荷载、水平荷载以及弯矩荷载作用下基础的承载性能.本文通过有限元软件ABAQUS,对比研究了饱和黏土场地中大直径单桩基础、桩-平台复合基础以及桩−筒复合基础在竖... 受到上部结构自重以及海洋环境荷载的影响,海上风电基础设计时应考虑竖向荷载、水平荷载以及弯矩荷载作用下基础的承载性能.本文通过有限元软件ABAQUS,对比研究了饱和黏土场地中大直径单桩基础、桩-平台复合基础以及桩−筒复合基础在竖向荷载V、水平荷载H、弯矩荷载M作用下的承载性能.研究结果表明两种复合基础较单桩基础呈现出显著的承载性能优势.桩-平台复合基础的竖向承载力、水平承载力以及抗弯承载力随着附加平台直径的增大呈指数型增加;桩−筒复合基础的竖向承载力以及抗弯承载力随着筒结构入土深度的增加先增大然后趋于稳定,桩−筒复合基础的水平承载力与筒直径以及筒入土深度为双参数线性增加关系.V-H以及V-M复合荷载加载条件下,两种复合基础比单桩基础的破坏包络线空间大,两种复合基础的稳定性相对单桩基础有显著提升.在一定承载范围内,附加平台结构或筒型结构可以减小桩的直径或入土深度. 展开更多
关键词 海上风电 复合基础 饱和黏土 极限承载力 破坏包络线
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动力荷载作用下水-桩-土相互作用简化分析研究 被引量:1
15
作者 黄义铭 赵密 +2 位作者 王丕光 曹艳辉 杜修力 《振动工程学报》 EI CSCD 北大核心 2022年第6期1511-1520,共10页
针对近海结构单桩基础在动力荷载作用下发生复杂的水-桩-土相互作用问题,建立了三维水-桩-土全耦合动力有限元分析模型。土体、桩和水体分别采用实体单元和声学单元模拟,土体截断边界采用滚轴边界条件、水体截断边界采用无反射吸收边界... 针对近海结构单桩基础在动力荷载作用下发生复杂的水-桩-土相互作用问题,建立了三维水-桩-土全耦合动力有限元分析模型。土体、桩和水体分别采用实体单元和声学单元模拟,土体截断边界采用滚轴边界条件、水体截断边界采用无反射吸收边界条件,并确定了合理的截断边界位置;以全耦合分析模型计算结果为参考解,系统研究了四种动荷载作用下水-桩不耦合(两者界面自由)和水-土不耦合(两者界面自由)对桩体和海床表面位移和动水压力响应的影响,揭示了不同水深和桩体半径变化下不考虑两种相互作用的影响规律。 展开更多
关键词 动力荷载 圆形桩体 数值模拟 水-土相互作用 水-桩相互作用
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