基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法

803 编辑：管理员来源：长江三峡集团实业发展(北京)有限公司

2024-03-12 16:40:00

权利要求书： 1.一种基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法，其特征在于，包括：

步骤1：收集目标近海风机混凝土基础资料数据和基础周围海域海水的资料，以及相似海域混凝土基础被腐蚀的资料数据，所述目标近海风机混凝土基础资料数据，包括：水灰比、饱和度、PH值；所述基础周围海域海水的资料数据，包括：氯离子浓度、PH值、温度；相似海域混凝土基础被腐蚀的资料数据，包括：不同时间和空间位置上的氯离子对基础的腐蚀数据；

步骤2：建立描述所述目标近海风机混凝土基础的氯离子侵蚀过程的时间空间变阶数分数阶对流扩散模型，所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型的控制方程如下：式中：x，t分别表示空间位置和当前时刻，c表示风机混凝土基础的氯离子浓度，为Caputo类型的时间变分数阶导数，其中C代表该类型导数为Caputo类型的分数阶导数，0表示初始时刻，表示时间变阶数分数阶阶数，其取值范围为（0，1），表征风机混凝土基础的氯离子浓度受到混凝土钝化层的阻碍和入侵海水PH值影响下的滞留衰减过程，其取值越低，污染物滞留现象越明显；v为流动参数，对饱和混凝土数值为0；D为超扩散系数；

为Riemann?Liouville类型的空间分数阶导数，其中RL代表该类型导数为预设类型的分数阶导数，o表示混凝土基础与海水接触位置，β表示空间分数阶阶数，其取值范围为（1，

2），表征氯离子沿着损伤裂隙方向向混凝土内部超扩散的特性，其取值越接近1氯离子超扩散现象越明显；

步骤3：采用与步骤1获取相同资料的数据开展室内风机基础混凝土氯离子侵蚀实验，利用实验数据反演得到所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型的关键参数数值，包括：采用实验数据通过预设拟合算法反演得到时间变阶分数阶阶数，空间分数阶阶数β，流动参数v，超扩散系数D，利用有限差分方法求解所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型得到空间位置x、当前时刻t的值和风机混凝土基础的氯离子浓度c，通过分析氯离子不同时刻的空间位置来得到近海风机混凝土基础内氯离子的分布情况；

步骤4：基于得到的关键参数数值求解所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型，得到近海风机混凝土基础内氯离子的分布情况，通过对比混凝土结构在不同氯离子浓度影响下的腐蚀状态，分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化；

步骤5：根据分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化结果，确定混凝土基础受氯离子侵蚀影响最小的方案，包括：采用不同水灰比、饱和度、PH值和其他防腐蚀的混凝土材料，重复步骤2?步骤4，选择混凝土基础受氯离子侵蚀影响最小的方案为适合该海域的混凝土制备方案；

步骤6：在近海风电场运行阶段，根据步骤5中得到的混凝土基础中氯离子扩散的数值结果，在钢筋锈蚀发展的第一阶段预备期时，对混凝土基础采取维护措施；

步骤7：基于预设时间周期重复步骤2?步骤4，依据步骤6的标准对混凝土基础进行维护。

说明书：一种基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法技术领域[0001] 本发明涉及工程仿真与数值模拟技术领域，具体涉及一种基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法。背景技术[0002] 近海风机混凝土基础主要材料为混凝土，极容易受到腐蚀。海水中氯离子的存在是造成腐蚀的原因，同时由于风电机组运行过程中产生的振动，使得基础容易产生疲劳损伤，再加上氧气的存在会使情况更加恶化，氯离子随着水分进入混凝土，其运移过程受混凝土钝化层的阻碍，同时又会沿着混凝土基础损伤裂隙向混凝土内部快速扩散，叠加钝化层受入侵海水PH值影响逐渐破坏，因此呈现出整体滞留衰减，局部快速扩散的特点，而经典描述溶质运移过程的对流扩散方程无法描述这种现象，不利于对基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法。发明内容[0003] 因此，本发明为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法，通过建立一种时间空间变阶数分数阶对流扩散模型，描述近海风机混凝土基础中氯离子扩散过程，从而反应风机基础的受侵蚀程度。[0004] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：[0005] 本发明实施例提供一种基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法，包括：[0006] 步骤1：收集目标近海风机混凝土基础资料数据和基础周围海域海水的资料，以及相似海域混凝土基础被腐蚀的资料数据；[0007] 步骤2：建立描述所述目标近海风机混凝土基础的氯离子侵蚀过程的时间空间变阶数分数阶对流扩散模型；[0008] 步骤3：采用与步骤1获取相同资料的数据开展室内风机基础混凝土氯离子侵蚀实验，利用实验数据反演得到所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型的关键参数数值；[0009] 步骤4：基于得到的关键参数数值求解所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型，得到近海风机混凝土基础内氯离子的分布情况，通过对比混凝土结构在不同氯离子浓度影响下的腐蚀状态，分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化；[0010] 步骤5：根据分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化结果，确定混凝土基础受氯离子侵蚀影响最小的方案；[0011] 步骤6：在近海风电场运行阶段，根据步骤5中得到的混凝土基础中氯离子扩散的数值结果，在钢筋锈蚀发展的第一阶段预备期时，对混凝土基础采取维护措施。[0012] 进一步地，所述目标近海风机混凝土基础资料数据，包括：水灰比、饱和度、PH值；所述基础周围海域海水的资料数据，包括：氯离子浓度、PH值、温度；相似海域混凝土基础被腐蚀的资料数据，包括：不同时间和空间位置上的氯离子对基础的腐蚀数据。

[0013] 进一步地，所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型的控制方程如下：[0014][0015] 式中：x，t分别表示空间位置和当前时刻，c表示风机混凝土基础的氯离子浓度，表示预设类型时间变分数阶导数，其中C代表该类型导数为所述预设类型的分数阶导数，0表示初始时刻，表示时间变阶数分数阶阶数，其取值范围为（0，1），表征风机混凝土基础的氯离子浓度受到混凝土钝化层的阻碍和入侵海水PH值影响下的滞留衰减过程，其取值越低，污染物滞留现象越明显；v为流动参数，对饱和混凝土数值为0，D为超扩散系数；表示预设类型的空间分数阶导数，其中RL代表该类型导数为预设类型的分数阶导数，o表示混凝土基础与海水接触位置，β表示空间分数阶阶数，其取值范围为（1，2），表征氯离子沿着损伤裂隙方向向混凝土内部超扩散的特性，其取值越接近1，氯离子超扩散现象越明显。[0016] 进一步地，时间变分数阶导数为Caputo类型的时间变分数阶导数；[0017] 所述空间分数阶导数为Riemann?Liouville类型的空间分数阶导数。[0018] 进一步地，采用实验数据通过预设拟合算法反演得到时间变阶分数阶阶数，空间分数阶阶数β，，超扩散系数D。[0019] 进一步地，利用有限差分方法求解所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型得到空间位置x、当前时刻t的值和风机混凝土基础的氯离子浓度c，通过分析氯离子不同时刻的空间位置来得到近海风机混凝土基础内氯离子的分布情况。[0020] 进一步地，所述步骤5具体包括：采用不同水灰比、饱和度、PH值和其他防腐蚀的混凝土材料，重复步骤2?步骤4，选择混凝土基础受氯离子侵蚀影响最小的方案为适合该海域的混凝土制备方案。[0021] 进一步地，所述基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法，还包括：[0022] 步骤7：基于预设时间周期重复步骤2?步骤4，依据步骤6的标准对混凝土基础进行维护。[0023] 本发明技术方案，具有如下优点：[0024] 本发明提供的基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法，首先收集目标近海风机混凝土基础资料数据和基础周围海域海水的资料，以及相似海域混凝土基础被腐蚀的资料数据，然后基于所收集的数据通过建立时间空间变阶数分数阶对流扩散模型，能够精准的描述近海风机混凝土基础中氯离子的复杂输移过程，分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化，得到混凝土基础受海水侵蚀风险，根据分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化结果，确定混凝土基础受氯离子侵蚀影响最小的方案，在近海风电场运行阶段，根据混凝土基础中氯离子扩散的数值结果，在钢筋锈蚀发展的第一阶段预备期时，对混凝土基础采取维护措施，通过及时有效的维护，以提高防波堤的使用寿命。附图说明[0025] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0026] 图1为本发明实施例中提供的基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法的一个具体示例的流程图；[0027] 图2为本发明实施例中海水入侵混凝土基础的示意图。具体实施方式[0028] 下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0029] 此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。[0030] 本发明实施例提供一种的基于氯离子侵蚀分析的近海风机混凝土基础维护方法，如图1所示，该方法包括以下步骤:[0031] 步骤S1:收集目标近海风机混凝土基础资料数据和基础周围海域海水的资料，以及相似海域混凝土基础被腐蚀的资料数据。[0032] 本发明实施例中目标近海风机混凝土基础资料数据，包括：水灰比、饱和度、PH值；基础周围海域海水的资料数据包括：氯离子浓度、PH值、温度；相似海域混凝土基础被腐蚀的资料数据，包括：不同时间和空间位置上的氯离子对基础的腐蚀数据，为后续建模和参数率定提供数据支撑。

[0033] 步骤S2:建立描述所述目标近海风机混凝土基础的氯离子侵蚀过程的时间空间变阶数分数阶对流扩散模型。[0034] 海水中氯离子的存在是造成风机混凝土基础腐蚀的原因，同时由于风电机组运行过程中产生的振动，使得基础容易产生疲劳损伤，再加上氧气的存在会使情况更加恶化，海水入侵示意图见图2。氯离子随着水分进入混凝土，其运移过程受混凝土钝化层的阻碍，同时又会沿着混凝土基础损伤裂隙向混凝土内部快速扩散，叠加钝化层受入侵海水PH值影响逐渐破坏，因此呈现出整体滞留衰减，局部快速扩散的特点。此处建立了描述近海风机混凝土基础的氯离子侵蚀过程的时间空间变阶数分数阶对流扩散模型。[0035] 本发明实施例，时间空间变阶数分数阶对流扩散模型的控制方程如下：[0036][0037] 式中：x，t分别表示空间位置和当前时刻，c表示风机混凝土基础的氯离子浓度，表示预设类型时间变分数阶导数，其中C代表该类型导数为所述预设类型的分数阶导数，0表示初始时刻，表示时间变阶数分数阶阶数，其取值范围为（0，1），表征风机混凝土基础的氯离子浓度受到混凝土钝化层的阻碍和入侵海水PH值影响下的滞留衰减过程，其取值越低，污染物滞留现象越明显；v为流动参数，对饱和混凝土数值为0，D为超扩散系数；表示预设类型的空间分数阶导数，其中RL代表该类型导数为预设类型的分数阶导数，o表示混凝土基础与海水接触位置，β表示空间分数阶阶数，其取值范围为（1，2），表征氯离子沿着损伤裂隙方向向混凝土内部超扩散的特性，其取值越接近1，氯离子超扩散现象越明显。[0038] 其中，时间变分数阶导数为Caputo类型的时间变分数阶导数，具体为：[0039][0040] 所述空间分数阶导数为Riemann?Liouville类型的空间分数阶导数，具体表示为：[0041][0042] 其中，（）为单参数的Gamma函数，有如下定义：[0043][0044] 本发明实施例采用Caputo类型的变阶数时间变分数阶导数，描述氯离子浓度受到混凝土钝化层的阻碍和入侵海水PH值影响下的滞留衰减过程，是因为混凝土基础在内部碱性环境(一般PH值为10)下会形成较厚的钝化层，钝化层的存在会极大阻碍氯离子的侵蚀过程，适合用时间分数阶导数描述，而海水中氯离子入侵会降低混凝土内的PH值，破坏钝化层，从而导致对氯离子的阻碍效果降低，因此采用变阶数时间变分数阶导数，其中时间阶数越低，表示对氯离子的阻碍作用越强，因此此处的变阶数应为时间上的单增函数，空间上则为外侧的阶数的数值比内侧高。[0045] 本发明实施例空间上采用Riemann?Liouville类型的空间分数阶导数，描述氯离子沿着损伤裂隙方向向混凝土内部超扩散的特性，是因为：风机运行会对混凝土带来损伤，形成裂隙，氯离子沿裂隙方向会快速扩散到混凝土内。[0046] 步骤S3:采用与步骤1获取相同资料的数据开展室内风机基础混凝土氯离子侵蚀实验，利用实验数据反演得到所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型的关键参数数值。[0047] 本发明实施例基于利用拟合算法例如是最小二乘法，采用MATLAB等工具对模型中的关键参数进行拟合，反演得到关键参数数值，具体为时间变阶分数阶阶数，空间分数阶阶数β，，超扩散系数D。[0048] 步骤S4:基于得到的关键参数数值求解所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型，得到近海风机混凝土基础内氯离子的分布情况，通过对比混凝土结构在不同氯离子浓度影响下的腐蚀状态，分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化。其中，本发明实施例利用有限差分方法求解所述时间空间变阶数分数阶对流扩散模型得到空间位置x、当前时刻t的值和风机混凝土基础的氯离子浓度c，通过分析氯离子不同时刻的空间位置来得到近海风机混凝土基础内氯离子的分布情况。[0049] 步骤5：根据分析近海风机混凝土基础的受侵蚀程度的变化结果，确定混凝土基础受氯离子侵蚀影响最小的方案。[0050] 具体地，采用不同水灰比、饱和度、PH值和其他防腐蚀的混凝土材料，重复步骤2?步骤4，选择混凝土基础受氯离子侵蚀影响最小的方案为适合该海域的混凝土制备方案。[0051] 步骤6：在近海风电场运行阶段，根据步骤5混凝土基础中氯离子扩散的数值结果，在钢筋锈蚀发展的第一阶段预备期时，应对混凝土基础采取有效地维护。[0052] 为了进一步的提高防波堤的使用寿命，可以还包括：[0053] 步骤7：基于预设时间周期重复步骤2?步骤4，基于所述步骤6的方法对基础进行维护。预设时间间隔可以根据实际氯离子侵蚀程度确定，通过采用最佳的混凝土基础的成分方案和及时进行有效维护，可以提高防波堤的使用寿命，减少不必要的人力和物力损失。[0054] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。