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为解决浮式海上风电平台耦合水动力 - 气动力 - 系泊模型缺乏时域验证的问题，研究人员对 Volturn 半潜式平台开展相关研究。结果表明 MoorDyn 在系泊张力预测上更准确，考虑平台瞬时位置可改进运动预测。这对优化设计等意义重大。
在全球致力于实现净零排放的大背景下，海上风能作为一种清洁、可持续的能源，正逐渐成为电力供应的重要力量。随着技术的发展，浮式平台的应用使得海上风电能够拓展到更深水域，获取更丰富的风能资源。然而，随着风力涡轮机功率从最初的 2MW 迅速攀升至如今的 15MW，甚至 20MW 也在研发之中，与之相关的浮式海上风电系统（FOWT）面临着诸多挑战。
FOWT 系统的动力学建模是一个复杂的难题，它涉及到涡轮空气动力学、平台水动力学、系泊动力学、结构动力学以及涡轮控制系统等多个方面。目前，虽然已经开发了多种 FOWT 分析工具，如 Bladed、OpenFAST、HAWC2、OrcaFlex 等，但多数研究集中在 5MW 的 FOWT 上，对于新型 15MW FOWT 概念的研究相对较少。而且，在已有的研究中，针对耦合的空气动力学 / 水动力学 / 系泊方面的详细时域分析也较为缺乏，难以深入理解各组件相互作用的影响，尤其是在不规则波浪场景下。此外，系泊建模对于预测平台运动和系泊线张力至关重要，不同系泊模型（如准静态模型和动态系泊模型）的性能差异及适用场景尚不明确。因此，开展对新型 FOWT 概念的深入研究，验证和优化相关模型，显得尤为迫切。
为了攻克这些难题，研究人员针对 Volturn 半潜式平台支撑的 IEA Wind 15MW 参考风力涡轮机展开了一系列研究。他们通过实验和数值模拟相结合的方式，对平台的水动力和系泊系统进行了深入分析，相关研究成果发表在《Applied Ocean Research》上。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。在水动力建模方面，采用基于线性衍射 - 辐射理论和 Morison 拖曳模型的自研代码 OREGEN_X，该模型结合了从 OREGEN_BEM 获取的水动力系数，并考虑了二次拖曳力等非线性效应。在系泊建模方面，使用了准静态悬链线理论和开源集中质量模型 MoorDyn，并将二者与水动力模型耦合求解平台动力学。同时，进行了 1:70 比例的模型试验，测量平台运动和导缆器张力，为模型验证提供数据支持。
研究结果主要包括以下几个方面：
- 非耦合系泊比较：在非耦合情况下，研究人员利用测量的平台运动指定导缆器运动学，对比不同系泊模型的导缆器张力预测结果。通过收敛性和参数研究发现，MoorDyn 模型使用 40 个线段和 0.0001s 的时间步长可获得收敛结果，且对正常阻力系数较为敏感。在衰减测试中，两种系泊模型在预测涌浪衰减测试的导缆器张力时与测量数据吻合良好，但在垂荡和纵摇衰减测试中，MoorDyn 的预测结果明显优于准静态悬链线理论，其均方根误差（RMSE）远小于准静态结果。在聚焦波测试中，MoorDyn 的预测结果在峰值和相位上也明显优于准静态理论。
- 耦合水动力 - 系泊比较：
- 水动力系数验证：研究人员对 OREGEN_X 中使用的水动力系数进行了验证。通过 BEM 计算得到的结果与 WAMIT 结果对比，发现除了高频范围内的涌浪辐射阻尼和低频范围内的涌浪力略有差异外，整体吻合良好。同时，通过实验数据校准了计算平台粘性拖曳力的阻力系数。
- 衰减测试：在耦合系统的衰减测试中，对于涌浪衰减，模拟结果与测量数据在初期吻合较好，但后期衰减更快；垂荡衰减中，两种系泊模型的模拟垂荡运动与测量数据匹配良好，但 MoorDyn 在预测导缆器张力上更准确；纵摇衰减测试中，MoorDyn 的模拟结果比准静态理论更符合测量数据，且其预测的导缆器张力也更好。
- 聚焦波测试：在聚焦波测试中，研究人员发现将入射波的参考位置设置为平台瞬时位置，能显著改善平台运动的模拟结果。两种系泊模型在聚焦波测试中的平台运动预测结果总体与测量数据相符，但 MoorDyn 在预测导缆器张力方面表现更优。
- 不规则波测试：在全尺寸模型的不规则波测试中，研究人员发现系泊模型对平台运动影响较小，但 MoorDyn 预测的导缆器张力标准偏差更大，表明系泊动力学对动态系泊张力计算很重要。通过 Miner 法则计算的疲劳损伤指标显示，准静态模型明显低估了疲劳损伤。
- 风效应：考虑风与浪的联合作用时，研究人员发现风速对平台运动和导缆器张力有显著影响。在额定风速下，平台的涌浪和纵摇运动受平均风推力影响出现大的平均漂移，而垂荡运动主要受波浪激励影响。MoorDyn 在预测导缆器张力的最大值和标准偏差方面大于准静态模型，再次表明系泊动力学对疲劳分析至关重要。
综合上述研究，研究人员得出以下结论：MoorDyn 在独立系泊张力预测方面表现出色，在自由衰减和聚焦波测试中都能准确预测，而准静态理论仅在涌浪衰减测试中表现出同等精度。在聚焦波测试中，将平台瞬时位置纳入激励力公式可显著改进耦合模型的运动预测。在系泊张力预测方面，除了涌浪自由衰减情况外，MoorDyn 均显著优于准静态模型，突出了动态系泊效应的重要性。在全尺寸不规则波耦合建模中，考虑风推力后，系泊模型对平台运动和最大张力影响较小，但 MoorDyn 计算的系泊疲劳指标显著增加。此外，OREGEN_X 水动力代码计算效率高，准静态系泊模型可作为输入为更复杂的系泊模型设计优化提供便利。
这项研究的意义重大。它为浮式海上风电平台的设计和优化提供了重要的理论依据和实践指导。通过准确的模型预测，可以更好地评估平台在不同海况下的性能，提高平台的安全性和可靠性，降低设计和运营成本。同时，研究结果也为后续进一步研究不稳定湍流风、二阶波浪力和扩展波等提供了基础，有助于推动浮式海上风电技术的持续发展，促进海上风能的高效利用，为全球能源转型贡献力量。
