一种用于浮动海上风力涡轮机中孤立波与结构相互作用的混合方法

《Ocean Engineering》：A hybrid approach for solitary wave-structure interaction in floating offshore wind turbines

浮式海上风电机组与 solitary wave 交互作用数值模拟方法研究。采用 SPH-FEM 耦合模型分析波浪-结构相互作用对自由表面及浮式平台动力响应的影响，揭示交互作用使平台垂荡运动增加15%、水平运动25%，锚链力增150%。

　　随着全球对可再生能源需求的不断增长，浮动式海上风电（Floating Offshore Wind Turbines, FOWTs）作为解决深海风能开发的关键技术之一，受到了越来越多的关注。在深海环境中，FOWTs面临着复杂的海洋环境挑战，其中包括由海底滑坡、海啸事件或内部波破碎引起的孤立波（Solitary Waves）。孤立波是一种具有长波长和高相速度的特殊波形，能够在较远的距离内保持其能量特性，对海上结构物产生显著影响。因此，研究孤立波与浮动结构之间的相互作用，对于提升FOWTs在极端海况下的安全性和稳定性具有重要意义。

本文提出了一种基于光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH）与有限元方法（Finite Element Method, FEM）相结合的数值模拟方法，用于研究孤立波与浮动结构之间的相互作用。该方法特别适用于分析FOWTs在深海环境中的动态响应。SPH方法被用来模拟孤立波与结构物之间的相互作用，通过捕捉自由表面的变化来反映波浪对结构的影响。而FEM方法则用于计算流体域内的波浪动力学，从而为FOWTs的结构分析提供必要的输入数据。

在FOWTs的建模过程中，采用的是欧拉-拉格朗日混合方法，将整个结构视为一个多自由度（Multi-Degree-of-Freedom, MDOF）系统。该系统包括风力涡轮机的叶片、机舱、塔筒、平台以及系泊系统，这些部分在风和波浪载荷的作用下会发生复杂的运动和变形。通过这种方式，研究者能够全面地评估FOWTs在孤立波作用下的整体响应，而不仅仅是局部结构或单一部件的表现。

孤立波与结构之间的相互作用会导致自由表面的显著抬升，根据模拟结果，这种抬升幅度约为原始波高的20%。自由表面的变化不仅影响了波浪本身的形态，还对流体动力学产生了深远的影响。例如，这种变化使得FOWTs平台的纵向（Surge）和垂直（Heave）运动分别增加了25%和15%。此外，系泊线的拉力也显著增加，相较于无相互作用的情况，拉力增加了约150%。这些结果表明，孤立波与结构之间的相互作用在FOWTs的设计和评估中不容忽视。

现有的研究大多集中在固定结构或简化浮动结构上，而对于完整的FOWTs系统，尤其是考虑到结构物与波浪之间的耦合效应，相关研究相对较少。本文的创新之处在于，不仅捕捉到了孤立波与结构物相互作用引起的自由表面变化，还将其纳入到完整的FOWTs分析模型中。通过这种方式，研究者能够更准确地模拟孤立波对FOWTs的冲击，从而为结构设计提供更加可靠的数据支持。

在数值模拟过程中，首先利用数值波浪池（Numerical Wave Tank）捕捉孤立波与结构物相互作用后自由表面的变化。接着，基于这些变化，使用FEM方法求解流体域内的垂直速度分布，并进一步推导出水平速度、加速度以及压力场。这些流体动力学参数被用于计算FOWTs各部件所受到的水动力作用力，从而全面评估其动态响应。该方法的有效性已在附录中通过与解析解的对比得到了验证。

通过本研究，我们发现孤立波对FOWTs的影响远比传统认知更为复杂和显著。尤其是在深海环境中，由于孤立波的高相速度和长波长特性，其对浮动结构的冲击可能比常规波浪更为剧烈。因此，在FOWTs的设计过程中，必须充分考虑孤立波的潜在影响，特别是在结构物的系泊系统和平台稳定性方面。此外，对于那些可能受到孤立波侵袭的海上风电场，也需要进行更为细致的风险评估和应急预案制定。

综上所述，本文提出了一种新的数值模拟方法，用于研究孤立波与FOWTs之间的相互作用。通过将SPH与FEM相结合，该方法能够有效地捕捉自由表面的变化，并将其纳入到完整的结构分析中。研究结果表明，孤立波对FOWTs的动态响应具有显著影响，尤其是在平台运动和系泊系统受力方面。这些发现为FOWTs在深海环境中的设计和应用提供了重要的参考依据，同时也为未来的研究方向奠定了基础。