海上垂直轴风力发电机组结构分析研究进展

贺广零，仲政

(1.同济大学力学博士后流动站，上海市，200092;2.同济大学航空航天与力学学院，上海市，200092)

0 引言

风力发电机组一般分为垂直轴风力发电机组和水平轴风力发电机组。就我国而言，陆上水平轴风力发电机组经过2次发展高潮(20世纪90年代中期和21世纪初期)，逐渐趋向成熟。自2005年后，海上水平轴风力发电机组也获得了长足发展。然而，垂直轴风力发电机组曾一度发展缓慢，有其必然的历史背景。最早出现的垂直轴风力发电机为阻力型，其中以S(Savonius)型最为经典。S型风力发电机由2个对称的半圆筒在中轴线处错位构成，因其形状像英文字母“S”而得名。S型风力发电机启动转矩较大，启动性能较好，但其风能利用系数远低于水平轴风力发电机，因而在商业应用中缺乏竞争力。然而，随着升力型垂直轴风力发电机的出现，其风能利用系数大为提高，甚至高于水平轴风力发电机，从而具备了相当的竞争力［1-2］。升力型垂直轴风力发电机以Darrieus型最为典型，其中又以H型、Φ型最为常见。Φ型垂直轴风力发电机形状与甩动的跳绳类似，这一形状能够有效地减少作用在叶片上的向心力。然而，这种特殊叶片的制造、运输与安装都存在一定的困难。为了避免这些问题，又出现了直叶片的垂直轴风力发电机，如H型等。

相比于水平轴风力发电机而言，垂直轴风力发电机具有诸多优势:(1)无需对风，不需要偏航系统;(2)风剪效应、塔影效应弱，叶片应力小;(3)叶片结构简单，加工成本较低;(4)发电机可置于底部，受力合理且便于维护;(5)叶片为多点简支梁，且通常旋转半径较小，无需切出;(6)叶片各处的扫风速度基本一致，气动噪音非常小;(7)对风场的扰动区域小，装机密度大，风机之间只需隔开2个机位;(8)无电磁污染;(9)避雷容易;(10)发电电压相对稳定，能够较好地解决风电发展的瓶颈——并网问题。随着风力发电机组大型化以及向海洋发展，垂直轴风力发电机组的优势日渐突出，具有十分广阔的应用前景。为此，本文针对海上垂直轴风力发电机组结构分析的若干关键问题(气动模型、风浪组合、风机基础、结构分析)进行评述，探讨海上垂直轴风力发电机组结构分析的发展趋势。

1 气动模型

研究气动模型之目的在于获得诱导速度，并最终确定叶片荷载与输出功率。相比水平轴风力发电机而言，垂直轴风力发电机的气动模型更为复杂，主要有流管模型、涡流模型、湍流模型、动力失速模型、计算流体力学模型等。

流管模型是基于动量理论的、最为常用的垂直轴风力发电机气动模型，相当于水平轴风力发电机的叶素动量模型。按照先后顺序，可分为单盘面单流管模型［3］、单盘面多流管模型(考虑了垂直于来流方向上流动参数变化的影响)［4］、双盘面多流管模型(考虑了盘面上游区域对下游区域的影响)［5］。经过不断完善，双盘面多流管模型已发展成为最为成熟的流管模型［6-9］。流管模型能够简单、高效地计算叶轮的气动荷载，亦存在不足之处:(1)在大尖速比情况下，难以求取诱导速度;(2)忽略了垂直来流方向的诱导速度;(3)无法准确地预测叶轮的非定常和瞬态载荷;(4)无法体现漩涡脱落现象。

事实上，风力发电机在运行过程中通常会存在不可忽略的漩涡脱落现象，为了准确反映这一现象，引入了基于升力线理论［10-11］的涡流模型。涡流模型分为固定涡模型［12］和自由涡模型［13-14］。涡模型能够较为精确地刻画流场细节，从而能更为准确地预测垂直轴风力发电机气动荷载。同时，该模型也存在若干不足:(1)在小尖速比范围内，叶片攻角变化很大，易出现前缘分离流，计算时难以收敛;(2)计算耗时过长，不能满足工程设计的需要。

上述流管模型与涡流模型均基于定常风速，忽略了风速的脉动效应。事实上，考虑风速的脉动效应对确定叶片气动荷载以及疲劳寿命十分重要。在风工程领域，通常可采用谱表现法、线性滤波法以及小波分析法进行风场模拟以获取脉动风速时程［15］。其中，谱表现法已经成功应用于垂直轴风力发电机的分析［16-20］。然而，上述3种风场模拟方法均基于风速功率密度谱，本质上属于现象学方法范畴，只能反映随机过程的数值特征(主要是方差)，存在难以描述随机过程的细部特征与结构、引入平稳过程的概念和各态历经假定、随机过程与其样本描述之间的关系不清晰等一系列局限性［21］。近年来，李杰［21］从随机动力系统的物理学传统出发，即从随机过程的随机函数描述出发，创建了随机Fourier谱，并提出了风场模拟的随机函数法，有效地解决了上述难题。贺广零和李杰［22］已成功地将该方法应用于水平轴风力发电机组结构分析，该方法也可以进一步应用于垂直风力发电机组。

风力发电机在运行过程中，因叶片做大攻角、非定常运动而导致表面流动分离及再附延迟的现象，即为动态失速。研究表明，动态失速的出现将加剧叶片荷载的不稳定性与结构损伤，因而有必要进行动态失速修正［23-26］。目前，研究动态失速现象的方法有模型实验、经验公式及数值模拟，而经验公式以其简单、快捷的特点倍受关注，并已广泛应用于工程实践中，其中较著名的有 Gormont模型［23］、MIT 模型［27］和Beddoes模型［28］。

经典气动模型以均匀性为基本假设，必然难以准确刻画垂直轴风力发电机流场的细部特征，而计算流体力学的发展则有望突破这一瓶颈。所有计算流体力学模型均以求解Navier-Stokes方程为基础，主要有直接数值模拟［29-31］和大涡模拟［32-33］。相对直接数值模拟而言，大涡模拟在计算效率方面已有较大改进，但该法的计算成本仍然非常高，要应用于工程实践还有待时日。此外，一些学者认为，计算流体力学技术现阶段仅能定性地反映流场的基本规律，而无法准确地描述流场各个位置的具体数值，对于旋转机械的流场更是如此。

考虑风速脉动效应的双盘面多流管模型，并结合动态失速修正，是一种高精度、高效率的气动荷载计算模型。计算流体力学模型是气动荷载模型发展的必然趋势，然而迄今仍然远不够成熟。

2 风浪耦合

风浪耦合一直是海洋工程研究的难点。德国GL规范［34］、美国 API规范［35］、挪威 DNV 规范［36］和 JTS 144—1—2010《港口工程荷载规范》［37］对风浪耦合都有相应规定，其内容均具备复杂性、多样性与保守性的特点。显然，上述规范之所以存在这些共性，是因为风浪耦合的物理机制尚不明确。在无法把握物理机制的前提下，不妨退而求其次，去尝试建立半经验关系。Neumann和 Pierson［38-39］给出了有效波高与平均风速之间的半经验关系，Ochi［40］研究了在飓风条件下二者之间的关系，以实现风浪耦合。然而，半经验关系成立的前提条件比较苛刻，例如要求海洋状态必须充分发育，且仅适用于深海区域，否则将会导致较大的误差。另外，一些学者意图纯粹从数学角度来实现风浪耦合。其中，较为成功的是 Turkstra法则［41-44］与多元极值理论［45］。Turkstra 法则本质上是将控制荷载的最大值与其他荷载时程进行随机组合。由于Turkstra法则是基于工程经验提出的一种组合规则，尽管有效地简化了荷载组合过程，却很有可能低估荷载组合值［43，46］。多元极值理论是研究多个相关变量极值性质的理论，探讨了确定多个相关变量极值联合分布的方法，是考虑各种极端荷载共同作用的有效手段，在海洋工程中获得了广泛应用［47-48］。但由于多元极值分布中相关结构较为复杂，其相关函数多为隐式形式，只能通过繁杂的迭代求解，不利于工程应用。

应该强调，在上述诸多考虑风浪耦合作用的方法中，依据单个荷载(荷载效应)的极值，最终通过若干组合系数或某种特殊组合方式来获得风浪共同作用下的极值，这在本质上是拟静力分析的结果。正因为仅仅进行拟静力分析，才出现各个荷载的极值通常不同时出现、因而不能简单相加，由此导致荷载(荷载效应)组合的各种理论或方式。事实上，由于荷载与荷载效应是非线性的且不具有简单的迭加性质，最大荷载组合与最不利效应之间不能建立一一对应的关系，因此上述组合方式在考虑非线性的情况下也是不适用的，更为普适的方法是进行多种随机作用下的结构随机动力反应分析。在直接动力分析中，对不同随机荷载按照上述方式进行加权组合既不必要、也不正确，一种简单且有效的方法是实现基于物理机制的风浪耦合。事实上，风速与波浪之间存在密切的物理关系:风压通过界面将能量传给海浪与海流，从而引发波浪运动。鉴于此，徐亚洲［49］基于拟层流风波生成机制获得了物理波浪谱(海浪随机Fourier谱)，建立了平均风速与波浪谱之间的物理关系。倘若在进一步的研究工作中，通过考虑风速随机Fourier谱［22］、海浪随机Fourier谱［49］中基本参数的耦联来同时生成风速和海浪时程，无疑为准确考虑风浪耦合提供了新思路。

3 风机基础

风机基础可分为陆上风机基础与海上风机基础，由于环境条件的改变，海上风机基础与陆上风机基础［50-53］存在本质的区别。海上风机的地理位置可分为滩涂、近海与深海［54］。根据地质条件的不同，近海风机基础形式主要有重力基础、负压桶基、单桩基础、多脚架基础、导管架基础以及高桩承台基础，如图1所示。深海风机基础主要采用悬浮基础，而滩涂风机基础则通常介于陆上风机基础与近海风机基础之间。总体上，海上风机基础尚面临如下关键科学问题。

图1 近海风机基础Fig.1 Offshore wind turbine foundation

3.1 桩土模型

纵观常见的近海风机基础，大部分(如单桩基础、多脚架基础、导管架基础、高桩承台基础)需要采用超大直径钢管桩。然而，由于土体动力弱化、土塞等效应的存在，迄今尚未出现适合超大直径钢管的桩土模型。由于在分析与设计过程中未全面考虑这些因素，已建成的海上风机基础(尤其是单桩基础)均出现了或多或少的倾斜现象。其中，部分风机基础因倾斜之故而导致风力发电机无法正常运行。为此，随着风力发电机组海洋化的大幅度推进，有必要提出合理的桩土模型，考虑土体动力弱化效应与土塞效应。

(1)土体动力弱化效应。土体动力弱化效应是指在循环荷载下桩周土体刚度随着循环次数的增加而降低。GL规范［34］明确规定需考虑该效应，但未给出具体的分析方法。在考虑土体动力弱化效应的分析方法中，最常见的是API规范［35］建议的p-y曲线分析法。首先，该法主要基于循环次数少于200次的现场实验，而循环次数大于200次时，土体动力弱化现象并未终止［55-56］。其次，该法中的p-y曲线是基于小直径桩基础(桩径小于1.5 m)现场实验所得［57-58］，因而该法并不适用于超大直径桩基础(桩径超过3 m)，且极有可能低估其动力响应［59-60］。为此，Juirnarongrit和 Ashford［61］研究了基桩尺寸对 p-y曲线的影响，提出了考虑尺寸效应的p-y曲线法。事实上，随着基桩尺寸进一步增大，尺寸效应对p-y曲线的影响会再次凸显，有治标不治本之嫌。究其本质，p-y曲线分析法及其修正方法均意图从内力层次把握基桩周边土体的动力弱化效应，因而难脱其窠臼。倘若转换思路，从本构层次探索或许会柳暗花明。Long和 Vanneste［62］给出了土体刚度与循环次数的关系式，初步揭示了土体动力弱化效应的物理机制，但未获得实验验证。基于循环三轴实验，Achmus［63］建议用含应力参数的半经验公式表示塑性轴向应变(循环荷载下的割线刚度)，以描述土体动力弱化效应。然而，该式为土体在周期性循环荷载作用下的研究成果，并未考虑风速、风向随机性的影响;且其为半经验模型，其物理机制亦有不够清晰之处。因此，为准确描述桩周土体动力弱化效应，需引入更为合理的物理模型。

(2)土塞效应。钢管桩在沉桩过程中，土体涌入钢管内形成土塞，通过改变端阻力与侧阻力以实现桩承载力的提高，即为土塞效应。考虑土塞效应最简单的方法是假定桩内、外壁侧阻力之间存在着某种比例关系［64］。显然，这种假设强行抹杀了土塞与外侧土体之间受力性能的差异。Heerema和Jong［65］提出的土塞模型是由一系列质块和弹簧组成的(“桩中桩”模型)，土塞和桩之间通过摩擦力来实现相互作用，但是该模型仅适用于土塞没有完全闭塞的情况。Randolph［66］通过引入额外自由度方法对“桩中桩”土塞模型进行了修正，即允许桩内壁和土塞之间存在弹性位移，但仍未能充分考虑土塞效应的物理机制。不难发现，上述土塞模型本质上均基于静力平衡法，存在较强的基本假设［67］。为此，刘润等［68］提出了改进的静力平衡法，在土塞微元体的静力平衡方程中引进了尺寸效应系数，考虑了桩径对侧阻力、端阻力的影响。实践证明，引入尺寸效应系数之后能更为准确地描述超大直径管桩的土塞效应。闫澍旺等［69］应用基于太沙基深基础计算方法的静力平衡法，有效考虑了边载效应，引入动力效应系数，更适用于海洋工程中的超大直径钢管桩。综上，目前土塞的研究重点在于沉桩性状(如可打入性)分析，而对管桩极限承载力关注甚少;并且大多针对土塞闭塞情况，从宏观的角度进行定性或半定量的研究。事实上，宏观力学研究难以揭示土塞效应的物理本质，更无从得知管桩内拱体区域土颗粒以何种方式楔紧、重组以及定向排列，自发形成拱体以抵抗和传递外力。值得指出，现有的土塞效应分析方法均基于连续介质力学，未考虑土体颗粒的散体特性，从而使得土塞效应扑朔迷离。

总之，尽管土体动力弱化与土塞效应的物理机制日趋清晰，但能全面考虑各种特殊效应的桩土模型研究进展甚微，以之为基础的超大直径钢管桩极限承载力分析更是凤毛麟角。迄今，仅出现了零星的实验成果［70］与简化分析方法［71-74］，而未出现普遍认可的桩土模型。事实上，超大直径钢管桩已经在近海工程，尤其在海上风电领域获得了广泛应用，因而提出一种具有权威性的桩土模型已迫在眉睫。

3.2 波致海床失稳

海床失稳是一种特殊的海上风力发电机组基础失效模式，海床失稳包括剪切破坏、液化与冲刷。Yamamoto［75］基于有效应力法建立了波致海床响应问题的Biot固结模型，获得了海床响应的解析解，并根据Mohr-Coulomb破坏准则建立了砂质海床剪切破坏的判别公式。Hsu 和 Jeng［76］、Jeng［77］亦基于Biot固结模型求得了波致海床响应的解析解，并结合Mohr-Coulomb准则分析了防波堤海床剪切破坏问题。林缅［78］依据Yamamoto的弱非弹性多孔介质模型给出了有限厚度海床响应的解析解，并探索了主要波浪参数和土壤参数对海床稳定性的影响。刘红军等［79］将 Yamamoto［75］与 Hsu 和 Jeng［76］的研究成果拓展至二维弱粘性土或粉土，建立了适用于二者的剪切破坏判别公式。在上述研究中，尚未有学者考虑土体侧向围压和排水条件的影响，因此难以准确反映真实的土体状态。为此，张永利［80］对经典的Biot固结模型进行了扩展，可有效考虑土体侧向围压和排水条件的影响，基于总应力法建立了波致海床剪切破坏准则，结合Okusa［81］所提出的基于有效应力法的液化准则，对东海大桥海上风电场海床稳定性进行了分析。然而，所获得的研究成果仅限于二维情况，无法考虑海床土体与波场空间变异性的影响;此外，仅研究了线性波与海床的相互作用，而未考虑波浪的随机性与非线性，所得结论是否适用于随机波和非线性波，有待进一步研究。

4 结构分析

4.1 极值分析

垂直轴风力发电机组极值分析源远流长。总体上，垂直轴风力发电机组建模方法可分为模态分析法［82］、多体动力学法［83］与有限元法［84-88］。其中，模态分析法之简单高效、多体动力学法之长于运动学(叶片旋转)分析、有限元法之高精度使得三者各领风骚。迄今，垂直轴风力发电机组结构分析方法主要有:拟静力分析法与动力特性分析法，鲜有学者实现了结构风致动力响应分析［87］，尚未有学者完成结构风致随机动力响应分析。另外，垂直轴风力发电机组结构分析有2种思路:(1)叶片结构分析，研究的重点都集中在叶片气动性能分析，获得了较为精确的叶片风荷载，但结构建模过程中忽略了主轴和基础［82，84-85，89-90］。(2)亦有少数学者进行了主轴或者基础的结构分析，但是所确定的叶片风荷载往往不够精确，并且结构分析以拟静力分析为主［83，86-88］。事实上，风力发电机组的动力效应与随机效应均极为显著［91］。倘若能将上述2种思路有效结合，依据合理的气动模型确定叶片荷载，构建“叶片－主轴－基础”一体化结构模型，并实现结构的随机动力响应分析，无疑将是一件非常美好的事情。对于水平轴风力发电机组而言，已有学者将该理念付诸实践［39，92-93］，相信该理念应用于垂直轴风力发电机组将不再久远。

4.2 疲劳分析

鉴于垂直轴风力发电机的材料特性，结构疲劳分析不可或缺。Veers［94］提出了一种损伤(能量)概率密度函数，确定了叶片损伤与风速之间的映射关系，从而发展了一种广义的垂直轴风力发电机疲劳分析方法。该法尽管简单高效，却是一种确定性的、近似的分析方法。由于垂直轴风力发电机为高周疲劳，其疲劳分析方法以名义应力法为主。基于风力发电机载荷谱和Palmgren-Miner线性累积损伤法则，李德源等［95］提出了一种大型风力发电机玻璃钢叶片疲劳寿命的工程估算方法，并依据柔性多体动力学考虑了旋转叶片应力刚化效应的影响。以该方法为基础，张婷婷［88］完成了铝合金叶片的疲劳寿命分析，苏亮［96］借助疲劳集成管理模型实现了叶片疲劳设计优化。不难发现，上述研究均以叶片疲劳分析为主，少有学者涉及支撑结构(主轴或者基础)的疲劳分析。此外，均为静力疲劳分析，而未涉及动力疲劳分析。鉴于此，李春祥等［97］以ANSYS软件为平台，在频域内研究了垂直轴风力发电机主轴3个关键位置处的风致动力响应特性，并依据Miner法则实现了风致动力疲劳分析。

事实上，垂直轴风力发电机组疲劳分析尚有若干关键问题未引起充分重视:(1)叶片旋转效应。已有研究表明，叶片旋转效应导致应力幅值迅速增加，从而大幅度地降低了结构疲劳寿命［22，98-99］。(2)风向。风向对风敏感结构的疲劳寿命预测至关重要［100］。(3)腐蚀介质。海洋环境中的腐蚀介质促使垂直轴风力发电机组产生应力腐蚀，导致额外的腐蚀疲劳裂纹扩展，极大地缩短了结构疲劳寿命［101］。(4)运行工况。与一般高耸结构不同的是，垂直轴风力发电机组存在运行工况的影响，例如，切入(切出)风速、气动、刹车等。这4个问题与垂直轴风力发电机组的疲劳寿命休戚相关，倘若四者均能提出合适的分析模型，对于正确预测结构疲劳寿命必将大有裨益。

5 展望

综合本文提出的若干关键问题，不难勾画海上垂直轴风力发电机组结构分析的美好蓝图:沿着随机动力系统研究的物理传统，以风速、海浪随机Fourier谱模型为基础，实现基于物理机制的风浪耦合，结合修正的“叶片-主轴-基础”一体化结构模型(引入合理的桩土模型)，基于概率密度演化理论［102］完成海上垂直轴风力发电机组精细化随机动力响应分析与疲劳寿命评估。

［1］孙云峰，田德，王海宽，等.垂直轴风力发电机的发展概况与趋势［J］.农村牧区机械化，2008，2(1):42-44.

［2］原鲲，王希麟.风能概论［M］.北京:化学工业出版社，2010:1-40.

［3］ Templin R J.Aerodynamic performance theory for the NRC vertical axis wind turbine［R］.NRC of Canada，Report LTR-LA-160，1974.

［4］ Strickland J H.The Darrieus turbine:A performance prediction model using multiple stream tubes［R］.SAND75-0431，Sandia National Laboratories，Albuquerque，NM，1975.

［5］ Parasehivoiu I.Aerodynamic loads and performance of the Darrieus rotor［J］.Journal of Energy，1981，6(6):406-412.

［6］ Sharpe D J.Wind turbine aerodynamics［M］.Freris L L.Wind energy conversion system.London:Prentice Hall，1990:36-80.

［7］Homicz G F.Numerical simulation of VAWT stochastic aerodynamic loads produced by atmospheric turbulence:VAWT-SAL code［R］.Sandia Laboratories，SAND91-1124，Albuquerque，NM，1991.

［8］ Paraschivoiu I.Wind turbine design:With emphasis on Darrieus concept［M］.Montreal:Polytechnic International Press，2002:70-90.

［9］ Deglaire P.Analytical aerodynamic simulation tools for vertical axis wind turbines［D］.Sweden:Uppsala University，2010.

［10］ Milne-Thomson L M.Theoretical aerodynamics［M］.London:Macmillan，1952:40-60.

［11］Hansen M O L.Aerodynamics of wind turbines［M］.London:Earthscan，2008:10-16.

［12］ Wilson R E.Vortex sheet analysis of the giromill［J］.Journal of Fluids Engineering，1978，100(3):340-342.

［13］ Strickland J H，Webster B T，Nguyen T.A vortex model of Darrieus turbine:An analytical and experimental study［J］.Journal of Fluids Engineering，1979，101(4):500-505.

［14］Vandenberghe D，Dick E.A free vortex simulation method for the straight bladed vertical axis wind turbine［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1987，26(3):307-324.

［15］张希黔，葛勇，闫春风，等.脉动风场模拟技术的研究与进展［J］.地震工程与工程振动，2008，28(6):206-212.

［16］ Veers P S.Modeling stochastic wind loads on vertical axis wind turbines［R］. Sandia NationalLaboratoriesSAND83-1909，Albuquerque，NM，1984.

［17］ Malcolm D J.Vertical axis wind turbine turbulent wind response model［R］. Final Report，Vol I and II，Indal Technologies Inc，1987.

［18］ Strickland J H.VAWT stochastic wind simulator［R］.Sandia National Laboratories SAND87-0501，Albuquerque，NM，1987.

［19］ Homicz G F.VAWT stochastic loads produced by atmospheric turbulence［J］.Journal of Solar Energy Engineering，1989，111(4):358-367.

［20］ Brahimi M T，Paraschivoiu I.Darrieus rotor aerodynamics in turbulent wind［J］.Journal of Solar Energy Engineering，1995，117(2):128-137.

［21］李杰.工程结构随机动力激励的物理模型［R］.上海:同济大学，2008.

［22］贺广零，李杰.基于物理机制的风力发电高塔系统风场模拟［J］.同济大学学报，2010，38(7):976-981.

［23］ Ham N D.Aerodynamic loading on a two-dimensional airfoil during dynamic stall［J］.Journal of the AIAA，1986，6(10):1927-1934.

［24］Gormont R E.A mathematical model of unsteady aerodynamics and radial flow for application to helicopter rotor［R］.USAAMRDL，TR-72-67，1973.

［25］ McCroskey W J，Carr L W，McAlister K W.Dynamic stall experiments on oscillating airfoils［J］.Journal of AIAA，1976，14(1):57-63.

［26］ McCroskey W J.The phenomenon of dynamic stall［R］.NASATM 81264，1981.

［27］Noll R B，Han N D.Dynamic stall of small wind systems［R］.Aerospace Systems Inc，1983.

［28］ Leishman J，Beddoes T.A semi-empirical method for dynamic stall［J］.Journal of American Helicopter Society，1989，34(3):3-17.

［29］ Allet A，Paraschivoiu I.Numerical simulation of three-dimensional flow fieldson vertical-axiswind turbines［C］//The 4th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery(ISROMAC-4).Hawaii，USA:Mechanical Sciences Division，1992:171-180.

［30］ Ishihara T，Kaneda Y，Yokokawa M，et al.Spectra of energy dissipation，enstrophy and pressure by high-resolution direct numerical simulations of turbulence in a periodic box［J］.J.Phys.Soc.Japan，2003，72(5):983-986.

［31］ Shishkin A，Wagner C.Direct numerical simulation of a turbulent flow using a spectral/hp element method［J］.Notes on Numerical Fluid Mechanics，2006，92:405-412.

［32］ Karamanos G S.Large eddy simulation using unstructured spectral/hp elements［D］.England:Imperial College London，1999.

［33］Shishkin A，Wagner C.Large eddy simulation of the flow around a wind turbine blade［C］//European Conference on Computational Fluid Dynamics. Delft， Netherlands:Delft University of Technology，2006:1-11.

［34］ Germanischer Lloyd.Rules and guidelines IV—Industrial services，part 2:Guideline for the certification of offshore wind turbines［S］.Hamburg:Germanischer Lloyd，2005.

［35］ American Petroleum Institute(API).Recommended practice for planning，designing and constructing fixed off-shore platformsworking stress design［S］.API Recommended Practice 2A-WSD(RP2A-WSD)，21st edition，Dallas，2000.

［36］ Det Norske Veritas(DNV).Design of offshore wind turbine structures offshore standard［S］.DNV-OS-J101，1st Edition，Oslo，Norway，2004.

［37］JTS 144—1—2010港口工程荷载规范［S］.北京:人民交通出版社，2010.

［38］ Neumann G，Pierson W J.Principle of physical oceanography［M］.Englewood Cliffs:Prentice Hall，1963:1-24.

［39］ Kuhn M J.Dynamics and design optimization of offshore wind energyconversion systems［D］.Delft:DelftUniversity of Technology，2001.

［40］ Ochi M K.On hurricane-generated seas［C］//Proceedings of the Second International Symposium on Ocean Wave Measurement and Analysis.New Orleans，USA:ASCE，1993:374-87.

［41］ Turkstra C J，Madsen H O.Load combinations in codified structural design［J］.Journal of the Structural Division，1980，106(12):2527-2543.

［42］金伟良.工程荷载组合理论与应用［M］.北京:机械工业出版社，2006:10-30.

［43］Cheng P W.A reliability based design methodology for extreme response of offshore wind turbine［D］.Delft:Delft University of Technology，2002.

［44］陈为飞.近海风机塔架风浪荷载分析［D］.杭州:浙江大学，2010.

［45］ Coles S G，Tawn J A.Modelling extreme multivariate events［J］.J.R.Statist.Soc.B，1991，53(2):377-392.

［46］Melchers R E.Structural reliability，analysis and prediction［M］.Chichester:John Wiley ＆ Sons，1999:199-215.

［47］刘德辅，董胜.随机工程海洋学［M］.青岛:中国海洋大学出版社，2004:89-118.

［48］欧进萍，段忠东，肖仪清.海洋平台结构安全评定:理论、方法与应用［M］.北京:科学出版社，2003:12-49.

［49］徐亚洲.随机海浪谱的物理模型与海洋结构波浪动力可靠度分析［D］.上海:同济大学，2008.

［50］王民浩，陈观福.我国风力发电机组地基基础设计［J］.水力发电，2008，34(11):88-91.

［51］刘蔚，申宽育.甘肃酒泉风电基地20个风电场风机基础设计研究［J］.西北水电，2008(5):63-65.

［52］刘蔚，吴琪，纪延松，等.大唐吉林向阳风电场一期150 MW工程风机桩基础设计分析［J］.西北水电，2009(5):91-94.

［53］马人乐，孙永良，黄冬平.风力发电塔基础设计改进研究［J］.结构工程师，2009，25(5):93-97.

［54］吴佳梁，李成峰.海上风力发电技术［M］.北京:化学工业出版社，2010:17-42.

［55］Hettler A.Deformation responses of rigid and elastic foundations in sand under static and cyclic loadings［D］.Karlsruhe:University of Karlsruhe，1981.

［56］ Achmus M，Abdel-Rahman K，Kuo Y S.Numerical modeling of large diameter steel piles under monotonic and cyclic horizontal loading［C］//International Symposium on Numerical Models in Geomechanics(NUMOGX).Rhodes，Greece:Taylor ＆ Francis，2007:453-459.

［57］Cox W R，Reese L C，Grubbs B R.Field testing of laterally loaded piles in sand［C］//Proceedings of the 6th Annual Offshore Technology Conference.Houston，USA:OTC Committee，1974:459-472.

［58］ Reese L C，Cox W R，Koop F D.Analysis of laterally loaded piles in sand［C］//Proceedings of the 6th Annual Offshore Technology Conference.Houston，USA:OTC Committee，1974:473-483.

［59］Achmus M，Abdel-Rahmen K，Peralta P.Analysis of load-bearing behavior of offshore wind turbine foundations［C］//Symposium of Piles 2005.Hannover，German:University of Hannover，2005:137-158.

［60］ Lesny K，Richwien W，Hinz P.Assessment of the offshore wind turbine foundations［C］//Symposium of Offshore Wind Energy，the Aspects on the Construction and Environments.Hannover，German:University of Hannover，2007:175-183.

［61］ Juirnarongrit T，Ashford S A.Effect of pile diameter on the modulus of subgrade reaction［D］.San Diego:University of California，2005.

［62］ Long J H，Vanneste G.Effects of cyclic lateral loads on piles in sand［J］.ASCE Journal of Geotechnical Engineering，1994，120(1):225-243.

［63］Achmus M，Kuo Y S，Abdel-Rahmen K.Behavior of monopile foundationsundercyclic lateralload［J］. Computers and Geotechnics，2009，36(5):725-735.

［64］ Stevens R F，Wiltsie E A，Turton T H.Evaluating pile drivability for hard clay，very dense sand and rock［C］//In 14th Offshore Technology Conference.Houston，USA:StevensR F，1982:1145-1193.

［65］ Heerema E P，Jong D A.An advanced wave equation computer program which simulates dynamic plugging through a coupled mass-spring system［C］//Conf.on Numerical Methods in Offshore Pipling，London，England:ICE，1982:37-42.

［66］ Randolph M F.Science and empiricism in pile foundation design［J］.Geotechnique，2003，53(10):847-875.

［67］陈波，闫澍旺，李家钢.动力沉桩中土塞作用数值分析［J］.天津大学学报，2001，34(5):636-640.

［68］刘润，糕瑞花，闫澍旺.大直径钢管桩土塞效应的判断和沉桩过程分析［J］.海洋工程，2005，23(2):71-76.

［69］闫澍旺，董伟，刘润.海洋采油平台打桩工程中土塞效应研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(4):703-709.

［70］朱照清，龚维明，戴国亮.大直径钢管桩水平承载力现场试验研究［J］.建筑科学，2010，26(9):36-39.

［71］ Nishida Y，Sekiguchi H，Matsumoto T.Drivability of steel pipe piles into diatomaceous mudstone in the construction of Notojima Bridge［C］//Proceedings on Penetrability and Drivability of Piles.San Francisco，USA:International Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering，1985:187-190.

［72］ Paikowsky S G，Whitman R V，Baligh M M.A new look at the phenomenon of offshore pile plugging［J］.Marine Geotechnology，1989(8):213-230.

［73］ Paik K H，Salgad O R，Lee J H，et al.Behavior of open-and closedended piles driven into sands［J］ .Geotech.Geoenviron.Eng.，2003，129(3):391-403.

［74］尤汉强，杨敏.循环荷载下海洋风机单桩基础简化分析模型［J］.岩土工程学报，2010，32(S):13-16.

［75］ Yamamoto T.Wave induced instability in seabeds［C］//Proc ASCE Special Conf，Coastal Sediments 77.Charleston，USA:ASCE，1977:898-913.

［76］Hsu J R C，Jeng D S.Wave-induced soil response in an unsaturated anisotropic seabed of finite thickness［J］.Int.J.Numer.Analyt.Meth.Geomech，1994，18(11):785-807.

［77］Jeng D S，Seymour B R.Response in seabed of finite depth with variable permeability［J］.J.Geotech.Geoenviron.Eng，1997，123(10):902-911.

［78］林缅，李家春.波浪、海洋土参数对海床稳定性影响［J］.应用数学和力学，2001，22(8):806-816.

［79］刘红军，张民生，贾永刚，等.波浪导致的海床边坡稳定性分析［J］.岩土力学，2006，27(6):986-990.

［80］张永利.近海风机基础系统安全性评估与监测技术研究［D］.上海:同济大学，2010.

［81］ Okusa S，Uchida A.Pore-water pressure change in submarine sediments due to waves［J］.Mar.Geotech，1980，4(2):145-161.

［82］Abdel Azimel-sayed A F，Hirsch C，Derdelinckx R.Dynamics of vertical axis wind turbines(Darrieus type)［J］.International Journal of Rotating Machinery，1995，2(1):33-41.

［83］白小芳.立轴风力机动态特性的研究［D］.重庆:重庆大学，2007.

［84］Lobtiz D W.Dynamic analysis of Darrieus vertical axis wind turbine rotors［R］.Sandia:Sandia National Laboratories Report，1981.

［85］ Lobitz D W，Ashwill T D.Aeroelastic effects in the structural dynamic analysis of vertical axis wind turbines［R］.Sandia:Sandia National Laboratories Report，Sandia Report SAND 85-0957，1986.

［86］田海娇.巨型垂直轴风力发电机组结构静动力特性研究［D］.北京:北京交通大学，2006.

［87］马晓爽.巨型垂直轴风力发电机组结构的风振响应［D］.北京:北京交通大学，2007.

［88］张婷婷.大型垂直轴风机的优化、动力特性及疲劳研究［D］.上海:上海交通大学，2009.

［89］廖康平.垂直轴风机叶轮空气动力学性能研究［D］.哈尔滨:哈尔滨工程大学，2006.

［90］巫发明.直叶片垂直轴风力机研究［D］.兰州:兰州理工大学，2009.

［91］贺广零.风力发电高塔系统风致随机动力响应分析与抗风可靠度研究［D］.上海:同济大学，2009.

［92］贺广零，周勇，李杰.风力发电高塔系统地震动力响应分析［J］.工程力学，2009，29(7):72-77.

［93］贺广零.考虑土－结构相互作用的风力发电高塔系统地震动力响应分析［J］.机械工程学报，2009，45(7):87-94.

［94］ Veers P S.A general method for fatigue analysis of vertical axis wind turbine blades［R］.Sandia:Sandia National Laboratories Report，SAND82-2543，1983.

［95］李德源，叶枝全，陈严，等.风力机叶片载荷谱及疲劳寿命分析［J］.工程力学，2004(6):118-123.

［96］苏亮.达里厄型垂直轴风力发电机结构可靠性分析研究［D］.杭州:浙江大学，2010.

［97］李春祥，胡文悌，代泽兵，等.基于频域分析垂直轴风力发电机组旋转主轴的风致动力疲劳［J］.振动与冲击，2009，28(7):166-168.

［98］ Verholek M G.Preliminary results of a field experiment to characterize wind flow a vertical plane［R］.Richland:Batelle Pacific Northwest Laboratory，Technical Report PNL-2518，1978.

［99］贺广零，李杰.风力发电高塔系统基于物理机制的旋转样本功率谱研究［J］.中国电机工程学报，2009，29(26):85-91.

［100］王钦华.复杂结构风致疲劳的理论和应用研究［D］.上海:同济大学，2009.

［101］张淑茳，史冬岩.海洋工程结构的疲劳与断裂［M］.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2005:91-117.

［102］ Li J，Chen J B.Stochastic dynamics of structures［M］.Singapore:John Wiley ＆ Sons，2009:12-362.