台风-波浪-海流耦合作用下风浪联合结构系统的失稳机理与判据研究

针对深远海极端台风-波浪-海流(Wave-Current)耦合环境中风浪联合结构系统失稳机制不明的科学问题，研究人员通过WRF-SWAN-FVCOM(W-S-F)多尺度耦合模拟与CFD数值水池试验，揭示了系统在79m/s临界风速下因纵摇角超11.6°导致倾覆的失稳机制，为海上可再生能源装备稳定性设计提供理论支撑。

　　

在全球能源转型背景下，深远海风能-波浪能联合开发成为解决能源危机的重要途径。然而，台风Rammasun等极端海洋环境中，风浪联合结构系统面临剧烈振荡甚至倾覆风险。现有研究多关注常规海况下的经济性与发电性能，对台风-波浪-海流(Wave-Current)非线性耦合作用下的失稳机制缺乏系统认知。这一科学盲区直接威胁着海上可再生能源装备的安全运行，亟需揭示其动态响应规律与稳定性边界。

针对这一挑战，广西自然科学基金等项目支持的研究团队创新性地将半潜式风机(Semi-submersible Wind Turbine)与垂荡式波浪能装置(Heave-type WEC)集成，构建了新型风浪联合结构系统。研究采用三大关键技术：首先基于模型耦合工具包(MCT)平台开发了WRF-SWAN-FVCOM(W-S-F)中尺度嵌套模型，对台风Rammasun进行全发展过程模拟，建立了风-浪-流多层耦合速度场；其次通过中/小尺度嵌套方法，将海洋环境场作为CFD数值水池入口边界条件；最后结合增量动力分析(IDA)方法，逐步增加环境载荷直至系统失稳。

台风-波浪-海流耦合模拟方法
通过二次开发MCT平台，团队实现了台风路径模拟精度较单一WRF模型提升16.3%，首次构建了包含台风眼壁强风区、波浪破碎区与海流剪切层的三维耦合速度场模型。

多柔性-刚性混合模型
提出的新型结构方案中，半潜式平台通过张力腿锚泊，6个垂荡浮子对称布置于平台周边。CFD模拟显示该设计能有效协调风机气动载荷与浮子水动力耦合效应。

风机叶片尖端位移
对比30m/s与60m/s台风海况发现，叶片挥舞方向(Flapwise)振幅达1.5m，远超摆振方向(Edgewise)的0-1.0m。极端条件下叶片动态应变呈现显著非线性特征。

临界失稳风速
IDA分析表明，当环境风速增至79m/s时，系统因纵摇角(Pitch Angle)超过11.6°进入失稳状态。此时平台运动能谱密度在0.12Hz处出现突变峰值，预示共振风险。

结论与意义
该研究首次量化了风浪联合系统在极端耦合环境中的稳定性边界，揭示其失稳本质为纵摇运动引发的动力失谐。所建立的失稳判据为同类结构抗台风设计提供了关键参数，推动深远海可再生能源装备从"发电性能优化"向"安全-效能协同设计"范式转变。成果发表于《Renewable Energy》，为我国南海等台风高发区的海上综合能源开发奠定了理论基础。