基于極值法的渤海海域風速特征提取與分析

風荷載是影響海洋結(jié)構(gòu)運動的主要環(huán)境因素。風速特征參數(shù)是海洋結(jié)構(gòu)物設計和失效分析的重要依據(jù)。對于在役海洋平臺監(jiān)測，風荷載是評估平臺服役狀態(tài)的主要參數(shù)對風荷載的研究，現(xiàn)階段主要有風洞實驗，數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測。由于理論簡化和縮比效應的影響，風洞實驗和數(shù)值模擬仍無法真實還原結(jié)構(gòu)在真實海況下受到的海洋環(huán)境荷載?；诂F(xiàn)場實測信息，對渤海海域的風速特性進行分析，能夠有效地還原現(xiàn)場信息，為海洋平臺的服役安全和設計提供參考。由于海洋環(huán)境的復雜性，以及各海域的獨特性，海洋工程結(jié)構(gòu)的抗風性能成為國內(nèi)外海洋開發(fā)公司和科研機構(gòu)的重視。樊哲良下文利用軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場原型監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)渤海海域的風速場的長期實測，積累了大量的現(xiàn)場風速數(shù)據(jù)。利用Davenport風剖面，計算了結(jié)構(gòu)在10m高度的風速時程。利用極值Ⅰ型分布獲得了渤海海域多年一遇的風速值?；诒O(jiān)測時程，計算了年最大風速時程的脈動風分量，驗證了脈動分量的高斯性。計算湍流強度和陣風因子，對比湍流強度和陣風因子的關(guān)系?？紤]高頻分量在計算風速空間積分尺度的影響，利用小波變換對高階近似分量和細節(jié)分量進行計算，獲得脈動風速的縱向及橫向空間積分尺度。對比經(jīng)驗脈動風譜與實測脈動風譜，證明Davenport風速譜能夠較好地擬合渤?，F(xiàn)場風速場。1現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)自2012年，中海石油有限公司天津分公司與大連理工大學合作，在我國渤海海域多艘FPSO上建立了軟剛臂系泊系統(tǒng)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)。由于軟剛臂系泊系統(tǒng)的風向標效應，及對風速測量的精度要求，將風速風向儀置于無遮擋的系泊支架頂部中央位置，垂向距FPSO甲板23m。利用監(jiān)測系統(tǒng)的GPS和INS對平臺位置和船艏向進行測量(式(1))，實時計算在役結(jié)構(gòu)的相對風速風向和絕對風速風向。其中，v其中，z為選取高度，v2平均風和短周期風風特征參數(shù)是風壓計算，風荷載模擬和海洋平臺抗風性能研究的重要參考指標。從實測記錄可以看出，風速由長周期部分(平均風)和短周期部分(脈動風)組成。對基本風速，我國規(guī)范采用10m為標準高度，規(guī)定平均風時距為10min。本節(jié)對平均風進行標準時距和標準高度換算后，計算了不同重現(xiàn)期下的風速極值。對于脈動風，選擇監(jiān)測到年最大風速自然日的數(shù)據(jù)，分析了脈動分量的概率密度、湍流強度、陣風因子、空間積分尺度和功率譜密度。2.1極值風速概率分布多年一遇風速值是海洋平臺設計考慮的重要環(huán)境指標?；?年的海洋平臺現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對標準時距的風速極值進行分析，極值風速的概率密度函數(shù)如圖3。分別采用極值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型概率分布進行擬合。形狀參數(shù)及尺度參數(shù)利用極大似然估計進行擬合。采用極值Ⅰ型概率分布，式(3)，時距選取為24小時。其中，x為位置參數(shù)，μ為尺度參數(shù)。計算得到渤海海域多年一遇風速值，如圖4所示。表1為重現(xiàn)期為5a、10a、30a、50a多年一遇極值風速。2.2平均風速某時刻的來流風速由平均風速和脈動風速組成:其中，v2.3脈動風速概率分布脈動風速符合正態(tài)分布，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)計算得到脈動風速時程，對脈動風速概率密度進行正態(tài)分布擬合，結(jié)果如圖7所示。對比發(fā)現(xiàn)脈動風分布基本符合高斯性分布，但是脈動分量的期望為正值。文獻2.4大氣湍流的最直接參數(shù)湍流強度反映了脈動風的湍流特性，是描述大氣湍流的最直接參數(shù)。某高度z的順風向湍流強度為:其中，I陣風因子是陣風風速與平均風速的比值:其中，t2.5小波分析方法湍流積分尺度是表征氣流中湍流漩渦平均尺度的度量。湍流積分尺度為:其中，R其中，R脈動風中含有不同空間尺度的漩渦，高頻分量的漩渦會導致積分尺度的計算誤差，為消除在湍流積分尺度的計算中高頻分量的影響，采用小波變換的方法對脈動風速進行小波變換，得到不同階數(shù)的小波近似分量(cA)和細節(jié)分量(cD)。小波分析方法在時域中有良好的局部化特征，它能夠快速準確地提取樣本的局部譜密度特征其中小波分量的能量權(quán)重為:對24小時的縱向(順風向)和橫向湍流積分尺度計算如圖12和圖13所示。計算發(fā)現(xiàn)，順風向湍流積分尺度大于橫風向湍流積分尺度，年風速最大值的縱向積分尺度為433.8808m，橫向積分尺度為73.0408m。2.6風譜測試脈動風速譜是考慮工程結(jié)構(gòu)順風向風振問題的重要參量。利用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)對渤海脈動風速進行功率譜分析，將功率譜進行無量綱化處理:其中，S3風速模型的建立1)基于現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，采用極值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型概率分布對風速極值概率密度進行擬合。利用極值Ⅰ型分布，計算了重現(xiàn)周期為5a、10a、30a、50a的渤海風速最大值，能夠為未來在渤海海域的海洋平臺設計提供參考。2)驗證了脈動風速的高斯性，發(fā)現(xiàn)脈動分量的高斯性能計算與平均風速計算所選取的時距有關(guān)。計算得到了脈動風速的湍流強度和陣風因子，利用線性擬合，驗證了湍流強度和陣風因子的相關(guān)性。3)考慮高頻漩渦給空間積分尺度計算的影響，利用小波變換，得到風速時程的