一种用于海上风机设计的双峰波浪谱计算方法与流程

1.本发明适用于海上风力发电领域，尤其涉及大型海上风机设计时在确定波浪要素时所涉及的双峰波浪谱的计算方法。


背景技术：

2.虽然近年来我国海上风电事业发展迅猛，但在海上风机结构研究方面也面临着诸多挑战，其中核心技术之一是如何准确得到复杂环境荷载作用下海上风机结构动力响应，特别是波浪环境荷载作用下海上风机结构动力响应。目前多采用等效设计波法求取海上风机结构对波浪的准静态响应(不考虑动力响应及疲劳问题)，而具有动态响应的结构需要按时间序列对海面及其运动学原理进行随机建模，建模的重要内容之一是准确描述海况，而海况是由具有给定有效波高、代表频率、平均传播方向和扩展函数的波浪谱指定，现有波浪谱包括jonswap谱、pm谱、tma谱等理论谱型。根据我国部分海域实测波浪资料发现，实测波浪参数与采用上述波浪谱假定计算出的波浪参数存在差异，其原因是海浪通常以风浪和涌浪共存的混合浪形式存在，体现在波浪谱上就是双峰谱，现有波浪谱多是基于单峰情况的，将其直接应用于风浪和涌浪共存的双峰谱，则计算精度较差。


技术实现要素：

3.本发明针对常规波浪谱计算方法在双峰谱计算中精度差的问题，通过实测波浪资料，提出有效实测波浪数据的筛选标准以及双峰型海浪谱的筛选标准，通过不同波浪谱的组合给出双峰谱的计算方法。
4.本发明采用的技术方案如下：一种用于海上风机设计的双峰波浪谱计算方法，包括以下步骤：
5.s1、实测波浪数据的筛选；依据波面高度标准、跨零周期标准、波面变化率标准、频谱特征标准，对实测波浪数据进行筛选，同时满足这四个标准的数据段被认定为有效数据段；
6.s2、通过welch法对所有有效数据段进行谱估计得到样本谱，从样本谱中筛选出双峰谱；
7.s3、对步骤s2的双峰样本谱进行无因次化处理后并取平均，得到该测站双峰谱的无因次平均谱；
8.s4、通过双jonswap组合，计算适合不同海域的混合浪双峰谱。
9.作为优选，所述步骤s1中，波面高度标准为：在每个数据段内，首先对波面数据进行零均值化处理，然后计算处理后的波面数据的均方根，若这个数据段的任一时刻点的波面值大于均方根的4倍，则此点定为坏点，反之则为有效点；若一个数据段中坏点所占比例超过10％，则标记该数据段为不可用，反之则标记该数据段可用。
10.作为优选，所述步骤s1中，跨零周期标准为：若一个数据段中存在波浪跨零周期大于25s，则标记该数据段不可用，反之则标记该数据段可用。
11.作为优选，所述步骤s1中，波面变化率标准为：若波面瞬时变化率大于波面最大变化率，则此点定为坏点，反之则为有效点；在每个数据段内，若坏点数大于跨零点数的15％，则标记数据段为不可用，反之则标记该数据段可用。
12.作为优选，所述步骤s1中，频谱特征标准为：在每个数据段内，若零频率的谱值s(0

)与谱峰值s(f
p
)满足s(0

)/s(f
p
)≤0.2，说明该数据段可用；若零频率的谱值s(0

)与谱峰值s(f
p
)达到s(0

)/s(f
p
)》0.2，说明该数据段有误，应标记该数据段不可用。
13.作为优选，所述步骤s2中，双峰谱的判别标准为同时满足以下条件：
14.(1)风浪为主，即高频谱峰值大于低频谱峰值；
15.(2)高、低频谱峰值分别对应的高、低频之间的间隔大于0.05hz；
16.(3)上述高、低频谱中谱峰值大的为主峰，谱峰值小的为次峰，则次峰的谱峰值需达到主峰谱峰值的30％及以上；
17.(4)上述主、次峰之间有一谷值，该谷值需小于次峰谱峰值的2/3。
18.作为优选，所述步骤s4中，混合浪双峰谱的计算公式为：
19.s(μ)＝s1(μ) s2(μ)
20.是无因次频率，f是频率，单位是hz,f
p
是谱峰频率，单位是hz，s1(μ)、s2(μ)分别代表低频分谱与高频分谱；
21.采用双jonswap谱描述混合浪的双峰谱时，则具体公式为
22.1、无因次形式：
[0023][0024]
其中f
p1
表示低频分谱的谱峰频率，f
p2
是高频分谱的谱峰频率；
[0025]m01
m
02
＝1，其中＝1，其中表示实测所得的双峰谱的无因次平均谱；
[0026][0027]
γi是谱峰升高因子，其中i＝1、2；
[0028][0028]
是无因次频率，f是频率，单位是hz，f
p
[0029]
是谱峰频率，单位是hz；
[0030]
2、有因次形式：
[0031][0032][0033][0034]
其中，α值表示步骤s2筛选出的实测双峰谱的谱面积m0与对应数据段的有效波高h
1/3
的关系，由m0与h
1/3
的线性回归分析得出；
[0035]
是谱峰周期；
[0036]
其中f
p1
表示低频分谱的谱峰频率，f
p2
是高频分谱的谱峰频率；
[0037]
γi是谱峰升高因子，其中，其中，
[0038]m01
m
02
＝1，＝1，表示实测所得的双峰谱的无因次平均谱；
[0039]
其中，f是频率，单位是hz，f
p
是谱峰频率，单位是hz。
[0040]
本发明具有的有益效果是：本发明通过实测波浪资料，提出了双峰型海浪谱的筛选标准、处理次峰离散现象的方法，通过不同波浪谱的组合给出双峰谱的计算方法。对比用单一的海浪谱如jonswap谱、pm谱、文谱等，用本发明的双峰谱方法拟合实测风涌共存的海浪，能够明显提高拟合精度，从而为海上风机的动态响应建模提供更加准确的输入条件。
附图说明
[0041]
图1射阳海域实测双峰谱曲线及其拟合示意图；
[0042]
图2温岭海域实测双峰谱曲线及其拟合示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本领域的普通技术人员更加清楚地理解本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述，但本发明并不局限于以下实施例。
[0044]
本发明提供的一种用于海上风机设计的双峰波浪谱计算方法，包括以下步骤：s1、实测波浪数据的筛选；依据下述四个标准，对实测波浪数据进行筛选，同时满足这四个标准的数据段被认定为有效数据段：在现有的波浪测量仪器中，大部分都是按小时划分工作时
段的，一个工作时段测量得到一个数据段；
[0045]
波面高度标准；在每个数据段内，首先对波面数据进行零均值化处理，然后计算处理后的波面数据的均方根，若这个数据段的任一时刻点的波面值大于均方根的4倍，则此点定为坏点，反之则为有效点；若一个数据段中坏点所占比例超过10％，则标记该数据段为不可用，反之则标记该数据段可用；
[0046]
跨零周期标准；若一个数据段中存在波浪跨零周期大于25s，则标记该数据段不可用，反之则标记该数据段可用；
[0047]
波面变化率标准；若波面瞬时变化率大于波面最大变化率，则此点定为坏点，反之则为有效点；在每个数据段内，若坏点数大于跨零点数的15％，则标记数据段为不可用，反之则标记该数据段可用；
[0048]
频谱特征标准；在每个数据段内，若零频率的谱值s(0

)与谱峰值s(f
p
)满足s(0

)/s(f
p
)≤0.2，说明该数据段可用；若零频率的谱值s(0

)与谱峰值s(f
p
)达到s(0

)/s(f
p
)》0.2，说明该数据段有误，应标记该数据段不可用。
[0049]
表1给出步骤s1标准的应用例子；
[0050]
表1 应用步骤s1四个标准的筛选结果
[0051]
地点起止总长坏点实际有效江苏射阳2018/5/10102018/7/27121875271848浙江温岭2018/5/14152018/7/311818751321743
[0052]
s2、通过welch法对所有有效数据段进行谱估计得到样本谱，从样本谱中筛选出双峰谱，具体标准为同时满足以下四个条件：
[0053]
(1)风浪为主，即高频谱峰值大于低频谱峰值；
[0054]
(2)高、低频谱峰值分别对应的高、低频之间的间隔大于0.05hz；
[0055]
(3)上述高、低频谱中谱峰值较大的为主峰，谱峰值较小的为次峰，则次峰的谱峰值需达到主峰谱峰值的30％及以上；
[0056]
(4)上述主、次峰之间有一谷值，该谷值需小于次峰谱峰值的2/3。
[0057]
表2 双峰谱的筛选结果
[0058]
地点有效数据段个数双峰谱个数江苏射阳1848324浙江温岭1743165
[0059]
s3、对步骤s2的双峰样本谱进行无因次化处理后并取平均，得到该测站双峰谱的无因次平均谱；
[0060]
s4、通过双jonswap组合，计算适合不同海域的混合浪双峰谱；所述混合浪双峰谱的计算公式为：
[0061]
所述混合浪双峰谱的计算公式为：
[0062]
s(μ)＝s1(μ) s2(μ)
[0063]
是无因次频率，f是频率，单位是hz,f
p
是谱峰频率，单位是hz，s1(μ)、s2(μ)分别代表低频分谱与高频分谱；
[0064]
采用双jonswap谱描述混合浪的双峰谱时，则具体公式为：
[0065]
1、无因次形式：
[0066][0067]
其中f
p1
表示低频分谱的谱峰频率，f
p2
是高频分谱的谱峰频率；
[0068]m01
m
02
＝1，其中＝1，其中表示实测所得的双峰谱的无因次平均谱；
[0069][0070]
γi是谱峰升高因子，其中i＝1、2；
[0071][0071]
是无因次频率，f是频率，单位是hz，f
p
是谱峰频率，单位是hz；
[0072]
2、有因次形式：
[0073][0074][0075][0076]
其中，α值表示步骤s2筛选出的实测双峰谱的谱面积m0与对应数据段的有效波高h
1/3
的关系，由m0与h
1/3
的线性回归分析得出；
[0077]
是谱峰周期；
[0078]
其中f
p1
表示低频分谱的谱峰频率，f
p2
是高频分谱的谱峰频率；
[0079]
γi是谱峰升高因子，其中，其中，m
01
m
02
＝1，＝1，表示实测所得的双峰谱的无因次平均谱；
[0080]
其中，f是频率，单位是hz，f
p
是谱峰频率，单位是hz。
[0081]
值得注意的是，无因次形式1与有因次形式2虽然表观上有所不同，但是两者是等价的，只要求得α即可互相转换。
[0082]
如图1所示，对于江苏射阳近岸海域的混合浪双峰谱计算：
[0083]
1、无因次形式
[0084][0085][0086]
2、有因次形式
[0087][0088][0089][0090]
t
p
＝0.983t
1/3
[0091]
t
p
＝1.242tz[0092]
其中，t
1/3
为有效周期，tz为跨零周期。
[0093]
如图2所示，对于浙江温岭海域近岸海域的混合浪双峰谱计算：
[0094]
1、无因次形式
[0095][0096][0097]
2、有因次形式
[0098]
[0099][0100][0101]
t
p
＝1.003t
1/3
[0102]
t
p
＝1.331tz[0103]
其中，t
1/3
为有效周期，tz为跨零周期。
[0104]
以上所述仅为本发明的优选实施例，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之。