一种新型双模式液晶显示屏（TLCD）在浮式海上风力涡轮机中的应用：运动减振性能研究

《Ocean Engineering》：Motion reduction performance of a novel dual-mode TLCD for floating offshore wind turbine

浮式海上风电 Turbine（FOWT）在深海环境中易受多方向波浪载荷引发的大幅度运动威胁，本研究提出新型双模式调谐液体柱阻尼器（DM-TLCD）系统，通过多腔室设计实现更宽频率范围和方向适应性的运动抑制。数值模拟表明，DM-TLCD在规则波下可降低共振点横摇幅度64.51%，在宽频带 irregular wave 条件下抑制效率达50.62%，且对多方向入射波均有稳定抑制效果。

　　浮式海上风电涡轮机（Floating Offshore Wind Turbines, FOWTs）作为深海风电开发的重要技术，因其能够利用更广阔的海域和更强的风资源而受到广泛关注。然而，FOWTs在复杂海况下会经历显著的运动，这些运动不仅威胁结构的安全性和稳定性，还可能影响能量转换效率并加速关键部件的疲劳损伤。因此，有效的运动抑制策略对于提升FOWTs的可靠性和延长其使用寿命至关重要。

传统上，研究人员采用多种运动抑制装置，如调谐质量阻尼器（Tuned Mass Dampers, TMDs）、调谐液体阻尼器（Tuned Liquid Dampers, TLDs）以及调谐液体柱阻尼器（Tuned Liquid Column Dampers, TLCDs）。其中，TLCD因其结构简单、安装方便以及维护成本低而被广泛研究和应用。TLCD通常由一个U形管组成，内部部分填充液体，当主机结构发生运动时，液体柱的振荡可以抵消这种运动，从而减少结构的动态响应。然而，传统TLCD在频率和方向上的适应性存在局限，难以应对多方向或宽频带的波浪激励。

为了克服这一技术瓶颈，本研究提出了一种新型的双模调谐液体柱阻尼器（Dual-Mode Tuned Liquid Column Damper, DM-TLCD）系统。该系统通过集成多个腔室和一个中央储液池，实现对液体质量的连续调节，从而拓宽了系统的有效频率范围。DM-TLCD不仅能够有效抑制FOWTs在多方向波浪作用下的运动，还能在更宽的频率范围内实现高效的运动控制。与传统TLCD相比，DM-TLCD在保持良好运动抑制效果的同时，显著提升了其在不同波浪条件下的适应性。

为了验证DM-TLCD的性能，研究团队利用STAR-CCM+软件建立了数值波浪水槽，并结合动态流体-结构相互作用（Dynamic Fluid-Body Interaction, DFBI）方法和重叠网格技术，模拟了FOWT在不同操作条件下的运动响应。通过自由衰减测试和网格收敛性研究，进一步确认了计算方法的可靠性。研究结果表明，在规则波条件下，DM-TLCD能够将共振时的俯仰运动峰值降低高达64.51%。此外，该系统在波浪入射方向变化的情况下仍能保持稳定的抑制效果，其抑制率在关键频率范围内始终超过50%。在不加剧浮式基础的纵荡或垂荡运动的前提下，DM-TLCD展现出卓越的运动控制能力。

进一步地，研究团队基于JONSWAP谱进行了不规则波条件下的模拟，结果表明DM-TLCD能够将俯仰响应降低约50.62%。这一发现表明，DM-TLCD在应对复杂海况时具有良好的适应性和有效性。通过结合多种技术手段，如多腔室设计、液体质量调节以及数值模拟方法，DM-TLCD在提升FOWTs运动抑制能力方面取得了显著进展。这些研究成果为未来深海风电场的设计和运营提供了重要的理论支持和技术参考。

在实际工程应用中，FOWTs的浮式基础通常受到风、波浪和洋流等多种环境载荷的共同作用，导致其在多个垂直运动平面内产生复杂的动态响应。传统TLCD由于其单一的自然频率特性，难以有效应对这种多方向的运动激励。为了解决这一问题，研究者提出了多种改进方案，例如调谐液体多柱阻尼器（Tuned Liquid Multi-Column Damper, TLMCD）和半主动控制策略。TLMCD通过引入多个液体柱，能够覆盖更宽的频率范围，从而提高其对多方向运动的抑制能力。而半主动控制策略则通过动态调整阻尼器的参数，如阀门直径或弹簧刚度，来优化其性能。

尽管这些改进方案在一定程度上提升了TLCD的运动抑制能力，但其对自然频率的调节仍然有限，难以完全适应复杂的海况变化。因此，本研究提出的DM-TLCD系统具有独特的创新性。通过多腔室设计和液体质量调节，DM-TLCD能够在更宽的频率范围内保持高效的运动控制能力，同时适应多方向的波浪激励。这种设计不仅提升了系统的适应性，还降低了对特定频率的依赖，使FOWTs能够在更广泛的海况条件下稳定运行。

在数值模拟过程中，研究团队详细分析了FOWT在不同波浪条件下的运动响应。通过调整浮式基础的压载量，确保其在不同波浪条件下保持良好的静水稳定性。研究结果表明，DM-TLCD在规则波和不规则波条件下均能有效抑制浮式基础的俯仰运动，同时不会显著增加纵荡或垂荡的幅度。这种性能优势使得DM-TLCD成为一种理想的运动抑制装置，能够显著提升FOWTs在复杂海况下的安全性和可靠性。

此外，本研究还探讨了DM-TLCD在不同波浪入射方向下的适应性。通过模拟不同角度的波浪激励，研究人员发现DM-TLCD能够保持稳定的运动抑制效果，其抑制率在关键频率范围内始终超过50%。这一特性对于深海风电场的运行尤为重要，因为实际海况中波浪的入射方向往往具有较大的不确定性。DM-TLCD的宽频带和多方向适应性使其能够在多种复杂条件下提供可靠的运动控制。

为了进一步验证DM-TLCD的性能，研究团队进行了自由衰减测试，以评估其在无外部激励情况下的运动抑制能力。测试结果表明，DM-TLCD能够有效抑制浮式基础的振动，从而延长其使用寿命并提高安全性。同时，通过网格收敛性研究，研究人员确认了数值模拟方法的准确性和可靠性，为后续的工程应用提供了坚实的基础。

综上所述，DM-TLCD系统在提升FOWTs运动抑制能力方面展现出显著的优势。通过多腔室设计和液体质量调节，该系统能够在更宽的频率范围内实现高效的运动控制，同时适应多方向的波浪激励。这些特性使得DM-TLCD成为一种理想的解决方案，能够显著提升FOWTs在复杂海洋环境中的稳定性和可靠性。未来，随着深海风电技术的不断发展，DM-TLCD有望在实际工程中得到广泛应用，为海上风电的可持续发展提供有力支持。