[发明专利]一种用于海上风机设计的双峰波浪谱计算方法

说明书

本发明涉及一种用于海上风机设计的双峰波浪谱计算方法，适用于海上风力发电领域。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。针对常规波浪谱计算方法在双峰谱计算中精度差的问题，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。本发明的计算过程为：1、本发明通过实测波浪资料，提出了有效实测波浪数据的筛选标准、双峰型海浪谱的筛选标准；2、通过谱估计方法给出无因次样本谱及其平均化谱；3、通过不同谱的组合拟合出双峰谱的计算公式、特征波浪要素的计算方法。

技术领域

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

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。

发明内容

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。

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：

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；

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；

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；

S4、通过双JONSWAP组合，计算适合不同海域的混合浪双峰谱。

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。

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。

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。

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。