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作者:林君蔚
作者(外文):Chun-Wei Lin
論文名稱:三維波流與離岸風機互制行為之模擬分析
論文名稱(外文):Numerical Analysis on 3D Wave-current Interaction with Offshore Wind Turbine
指導教授:吳祚任
指導教授(外文):Tso-Ren Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立中央大學
系所名稱:水文與海洋科學研究所
學號:103626008
出版年:105
畢業學年度:104
語文別:中文
論文頁數:171
中文關鍵詞:離岸風機數值模擬波浪頻譜內造波機結構受力
外文關鍵詞:offshore wind turbinenumericalJONSWAPinternal wave makerdynamic loads
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離岸風電場比陸域風電場更具優勢與潛能,但海上環境條件如颱風、波浪及海流等影響亦比陸域環境嚴苛。台灣海峽平均觀測風速高於國外已開發之離岸風電場,具有良好發展潛力,但台灣位於地震帶且多颱風侵襲,風險亦較其他離岸風電場高。為確保國內離岸風機的運轉安全及可靠性,分析與評估風機支撐結構是否得以承受場址特定環境條件(Site Specific Conditions)包括極端風況、海況及地震等衝擊,勢必成為未來離岸風電場建置前之重要工作項目。
本研究透過Splash3D模式進行三維數值模擬與分析,求解離岸風機在已知極端事件下受波浪及海流衝擊之承載力。Splash3D模式以美國國家實驗室(Los Alamos National Laboratory, LANL)所發展之Truchas模式為基礎進行研究與相關功能開發,模式可同時求解複雜且破碎之自由液面與結構物受力之動態過程,其以部份網格法(Partial-cell Treatment)於計算域中建構風機基礎,並用不規則網格包覆結構、配置數值壓力計以求結構物整體受力分佈;以投影法(Projection Method)求解大渦模擬(Large Eddy Simulation)方程式;以流體體積法(Volume of Fluid, VOF),描述表面碎波行為。
模式中為能夠適切模擬季風以至於颱風之波浪特性,以頻散關係式為基礎設計之內造波機模組(Internal Wave Maker Module)可依據自氣象局取得的單一波浪波譜觀測資料生成JONSWAP理論頻譜,並以此做為輸入條件產生更符合實際海況的亂數波浪。研究中考量波浪與海流之加總效應,比較相同示性波高條件下,規則波與不規則波衝擊結構時其受力分布,以期提供未來離岸風電場建置之參考。
In this research, the three-dimensional numerical simulation and analysis for solving the dynamic loads from waves and currents on the offshore wind turbines is performed. Scenarios focused on the extreme weather conditions. During the typhoon event, the wind-driven storm waves and currents have to be considered while solving the dynamic load on the structures. The Splash3D model was adopted to perform the simulation of the interaction between breaking waves and structures. The core of the Splash3D model is the Truchas model which was developed by Los Alamos National Laboratory (LANL) and featured as high accuracy. Splash3D is capable of solving the dynamic process for the interaction between the structure and fluids with complex breaking free-surface. In order to adequately simulate the waves under monsoon or typhoon, a new wave generation module based on the dispersion relationship is developed. This wave-maker module was used to generate regular waves, irregular waves, and breaking waves under the extreme weather condition. The module was used to simulate the synthetic effect under the effects of waves and currents for obtaining the force distribution on the foundation of the offshore wind turbine.
論文指導教授推薦書 III
論文口試委員審定書 IV
中文摘要 V
英文摘要 VI
目錄 VII
圖目錄 IX
表目錄 XVI
第1章 緒論 1
1-1 研究動機 1
第2章 模式介紹與研究方法 7
2-1 模式介紹 7
2-1-1 控制方程式(Governing Equations) 7
2-1-2 有限體積法(Finite Volume Method) 9
2-1-3 流體體積法與PLIC法(Piecewise Linear Interface Calculation) 10
2-1-4 部分網格法(Partial-Cell Method) 13
2-1-5 大渦模擬(Large Eddy Simulation , LES) 14
2-2 依數值情境模擬結果輸出結構物表面受力 17
2-2-1 物體浮力驗證 17
2-2-2 潰壩波衝擊結構物之受力驗證 20
2-3 依據研究區域觀測資料決定三維數值模擬造波輸入條件 24
2-3-1 自氣象局新竹浮標 (46757B) 觀測資料選用適當之波譜 24
2-3-2 依據選用之波譜觀測資料產生與其相符之JONSWAP理論波譜 28
2-3-3 以波譜能量密度函數曲線求得自由水面隨時間變化之序列 31
第3章 模擬結果與討論 37
3-1 規則波對於5MW參考離岸風機桁架式(Lattice)支撐結構,在不同波向衝擊下之模擬及受力分析 37
3-1-1 情境模擬之波浪條件及計算域設置 37
3-1-2 規則波與流加總效應之二維流況情境模擬 39
3-1-3 三維規則波與定速海流對單圓柱之模擬及受力分析 53
3-1-4 三維規則波與定速海流對結構物在攻角0度衝擊下之模擬及受力分析 64
3-1-5 三維規則波與定速海流對結構物在攻角45度衝擊下之情境模擬及受力分析 75
3-2 不規則波對於5MW參考離岸風機桁架式(Lattice)支撐結構,在不同波向衝擊下之模擬及受力分析 86
3-2-1 情境模擬之波浪條件及計算域設置 86
3-2-2 不規則波與定速海流加總效應之二維流況情境模擬 89
3-2-3 三維不規則波與定速海流對單圓柱之模擬及受力分析 101
3-2-4 三維不規則波與定速海流對5MW參考離岸風機桁架式(Lattice)支撐結構在攻角0度衝擊下之模擬及受力分析 112
3-2-5 三維不規則波與定速海流對5MW參考離岸風機桁架式(Lattice)支撐結構在攻角45度衝擊下之模擬及受力分析 123
第4章 結論與建議未來之研究方向 134
附錄:SPLASH3D沖刷模式應用 136
參考文獻 148
口試書面答覆表 152

圖目錄
圖 2-1 1 流體體積法之體積分率示意圖 12
圖 2-1 2 自由液面重建示意圖(Wu, 2004) 13
圖 2-2 1模擬設置圖 18
圖 2-2 2壓力積分點布置全貌與局部放大圖 18
圖 2-2 3擷取受力數據示意圖 19
圖 2-2 4 Wu (2004)、 Hu, et al. (2012) 潰壩波衝擊方柱之數值模擬設置圖 21
圖 2-2 5 Wu (2004)、Hu, et al. (2012) 潰壩波衝擊方柱之數值模擬設置全貌 21
圖 2-2 6 壓力積分點於方柱上之分佈情形 22
圖 2-2 7(上)Wu (2004)潰壩波衝擊方柱之文獻中實驗(虛線)與模擬(藍色實線)比對結果與(下)壓力積分點擷取受力之結果(綠色實線)比較 22
圖 2-2 8於Splash 3D中建構之風機基礎 23
圖 2-2 9數值壓力計分布示意圖 23
圖 2-3 1 2013年1月3日上午7點之波譜觀測資料 26
圖 2-3 2 2013年2月8日上午4點之波譜觀測資料 27
圖 2-3 3 2014年5月5日上午7點之波譜觀測資料 27
圖 2-3 4 2013年7月13日上午6點之波譜觀測資料 28
圖 2-3 5 2013年7月13日上午6點之波譜觀測資料 (角頻率域) 30
圖 2-3 6 選用波譜觀測資料(2013/07/13/06)與JONSWAP理論波譜比對結果 31
圖 2-3 7 JONSWAP理論頻譜能量密度分佈曲線下各頻率成分所占曲線下面積示意圖 34
圖 2-3 8 依據JONSWAP理論頻譜生成之自由水面隨時間變化之序列圖。 34
圖 3-1 1 結構物與水流方向之試驗條件關係圖 38
圖 3-1 2 數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖 41
圖 3-1 3 數值水位計所在位置之波高歷線圖。 41
圖 3-1 4 數值水位計所在位置之波高歷線圖。 42
圖 3-1 5 數值水位計所在位置之波高歷線圖。 43
圖 3-1 6 數值水位計所在位置之波高歷線圖。 44
圖 3-1 7 數值水位計所在位置之波高歷線圖。 45
圖 3-1 8 數值水位計所在位置之波高歷線圖。 46
圖 3-1 9 數值水位計所在位置之波高歷線圖。 47
圖 3-1 10 二維模擬之規則波流場沿水流方向流速分布圖(第90至第99秒)。 48
圖 3-1 11 二維模擬之規則波流場垂直水流方向流速分布圖(第90至第99秒)。 49
圖 3-1 12 二維模擬之規則波流場流速絕對值分布圖(第90至第99秒)。 50
圖 3-1 13 二維模擬之規則波流場總壓分布圖(第90至第99秒)。 51
圖 3-1 14 二維模擬之規則波流場動壓分布圖(第90至第99秒)。 52
圖 3-1 15 數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖。 54
圖 3-1 16 數值壓力計分布示意圖。藍點為數值壓力計位置。 54
圖 3-1 17 三維規則波與定速海流對單一圓柱衝擊之水平方向流速分布剖面圖。 57
圖 3-1 18 三維規則波與定速海流對單一圓柱衝擊之垂直方向流速分布剖面圖。 58
圖 3-1 19 三維規則波與定速海流對單一圓柱衝擊之流速絕對值分布剖面圖。 59
圖 3-1 20 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之 三維流線分布圖(103至113秒)。 60
圖 3-1 21 三維規則波與定速海流對單一圓柱衝擊之流場總壓分布剖面圖。 61
圖 3-1 22 三維規則波與定速海流對單一圓柱衝擊之流場動壓分布剖面圖。 62
圖 3-1 23三維規則波與定速海流對單一圓柱衝擊之波高歷線圖(上)、 平行水流方向受力歷線圖(中)及所受總力歷線圖(下) 63
圖 3-1 24 數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖。 65
圖 3-1 25 數值壓力計分布示意圖。藍點為數值壓力計位置。 65
圖 3-1 26 桁架式支撐結構受攻角0度之規則波與流衝擊之水平方向流速分布剖面圖。 68
圖 3-1 27 桁架式支撐結構受攻角0度之規則波與流衝擊之垂直方向流速分布剖面圖。 69
圖 3-1 28 桁架式支撐結構受攻角0度之規則波與流衝擊之流速絕對值分布剖面圖。 70
圖 3-1 29 桁架式支撐結構受攻角0度之規則波與流衝擊之三維流線分布圖。 71
圖 3-1 30 桁架式支撐結構受攻角0度之規則波與流衝擊之流場總壓分布剖面圖。 72
圖 3-1 31 桁架式支撐結構受攻角0度之規則波與流衝擊之流場動壓分布剖面圖。 73
圖 3-1 32桁架式支撐結構受攻角0度之規則波與流加總效應衝擊之波高歷線圖(上)、平行水流方向受力歷線圖(中)及結構物所受總力歷線圖(下)。 74
圖 3-1 33 數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖。 76
圖 3-1 34 數值壓力計分布示意圖。藍點為數值壓力計位置。 76
圖 3-1 35 桁架式支撐結構受攻角45度之規則波與定速海流衝擊之 水平方向流速分布剖面圖。 79
圖 3-1 36 桁架式支撐結構受攻角45度之規則波與定速海流衝擊之 垂直方向流速分布剖面圖。 80
圖 3-1 37 桁架式支撐結構受攻角45度之規則波與定速海流衝擊之 流速絕對值分布剖面圖。 81
圖 3-1 38 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之 三維流線分布圖(103至113秒)。 82
圖 3-1 39 桁架式支撐結構受攻角45度之規則波與定速海流衝擊之 流場總壓分布剖面圖。 83
圖 3-1 40 桁架式支撐結構受攻角45度之規則波與定速海流衝擊之 流場動壓分布剖面圖。 84
圖 3-1 41 桁架式支撐結構受攻角45度之規則波與定速海流衝擊之 波高歷線圖(上)、平行水流方向受力歷線圖(中)及結構物所受總力歷線圖(下) 85
圖 3-2 1 2013年7月13日上午6點之波譜觀測資料與JONSWAP理論波譜比對結果 87
圖 3-2 2 依據JONSWAP理論頻譜生成之自由水面隨時間變化之序列圖。 88
圖 3-2 3數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖 92
圖 3-2 4 0-1號數值水位計所在位置之波高歷線圖。 92
圖 3-2 5 2-4號數值水位計所在位置之波高歷線圖。 93
圖 3-2 6 5-6號數值水位計所在位置之波高歷線圖。 94
圖 3-2 7 7-9號數值水位計與輸入條件之波高歷線圖比較結果。 95
圖 3-2 8二維模擬之不規則波與定速海流流場之沿水流方向流速分布圖。 96
圖 3-2 9 二維模擬之不規則波與定速海流流場之垂直水流方向流速分布圖。 97
圖 3-2 10 二維模擬之不規則波與定速海流流場之流速絕對值分布圖。 98
圖 3-2 11 二維模擬之不規則波與定速海流流場之總壓分布圖。 99
圖 3-2 12二維模擬之不規則波與定速海流流場之動壓分布圖。 100
圖 3-2 13 數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖。 102
圖 3-2 14 數值壓力計分布示意圖。藍點為數值壓力計位置。 102
圖 3-2 15 圓柱受不規則波與定速海流加總效應衝擊之水平方向流速分布剖面圖。 105
圖 3-2 16 圓柱受不規則波與定速海流加總效應衝擊之 垂直方向流速分布剖面圖。 106
圖 3-2 17 圓柱受不規則波與定速海流加總效應衝擊之流速絕對值分布剖面圖。 107
圖 3-2 18 圓柱受不規則波與定速海流加總效應衝擊之三維流線分布圖。 108
圖 3-2 19 圓柱受不規則波與定速海流加總效應衝擊之流場總壓分布剖面圖。 109
圖 3-2 20 圓柱受不規則波與定速海流加總效應衝擊之流場動壓分布剖面圖。 110
圖 3-2 21 圓柱受不規則波與定速海流加總效應衝擊之波高歷線圖(上)、平行水流方向受力歷線圖(中)及結構物所受總力歷線圖(下) 111
圖 3-2 22 數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖。 113
圖 3-2 23 數值壓力計分布示意圖。藍點為數值壓力計位置。 113
圖 3-2 24 桁架式支撐結構受攻角0度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之水平方向流速分布剖面圖。 116
圖 3-2 25 桁架式支撐結構受攻角0度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之垂直方向流速分布剖面圖。 117
圖 3-2 26 桁架式支撐結構受攻角0度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之流速絕對值分布剖面圖。 118
圖 3-2 27 桁架式支撐結構受攻角0度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之 三維流線分布圖。 119
圖 3-2 28 桁架式支撐結構受攻角0度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之流場總壓分布剖面圖。 120
圖 3-2 29 桁架式支撐結構受攻角0度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之流場動壓分布剖面圖。 121
圖 3-2 30 桁架式支撐結構受攻角0度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之波高歷線圖(上)、平行水流方向受力歷線圖(中)及結構物所受總力歷線圖(下) 122
圖 3-2 31 數值計算域之設置圖。上圖為鳥瞰圖,下圖為側視圖。 124
圖 3-2 32 數值壓力計分布示意圖。藍點為數值壓力計位置。 124
圖 3-2 33 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之水平方向流速分布剖面圖。 127
圖 3-2 34 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之垂直方向流速分布剖面圖。 128
圖 3-2 35 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之流速絕對值分布剖面圖。 129
圖 3-2 36 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之 三維流線分布圖。 130
圖 3-2 37 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之流場總壓分布剖面圖。 131
圖 3-2 38 桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之流場動壓分布剖面圖。 132
圖 3-2 39桁架式支撐結構受攻角45度之不規則波與定速海流加總效應衝擊之 波高歷線圖(上)、平行水流方向受力歷線圖(中)及結構物所受總力歷線圖(下) 133

表目錄
表 2 1 新竹浮標每月波高統計表 (2000年~2014年) 25
表 2 2 JONSWAP理論波譜個頻率分量參數 (1) 35
表 2 3 JONSWAP理論波譜個頻率分量參數 (2) 36
表 3 1模式中採用之波浪條件 38
表 3 2 模式計算條件 87
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(本資料20200831後電子全文公開)
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