一种新的CFD-MBD波结构相互作用模型：将OpenFOAM与Chrono相结合

《Applied Materials Today》：A new CFD-MBD wave-structure interaction model: Coupling OpenFOAM with Chrono

多体漂浮结构波浪-结构相互作用的高保真开源CFD模型开发及验证。通过耦合OpenFOAM与Project Chrono，集成流体力学计算、多体动力学求解、动态锚泊模型与OpenFAST风电机组载荷计算，开发了支持刚体与柔性体耦合的多物理场模拟框架。验证表明，该开源模型在波浪激励浮式平台运动、锚泊力及风电机组载荷预测方面与商业软件精度相当，适用于混合能源系统与海洋养殖结构分析。

　　随着海洋能源和海上养殖技术的快速发展，对多体浮动结构的动态响应研究变得尤为重要。这些结构通常由多个相互连接的刚体或柔性部件组成，其在波浪作用下的行为复杂且难以模拟。为了克服这一挑战，研究人员开发了一种新型的波浪-结构相互作用（WSI）模型，该模型通过将有限体积计算流体力学（CFD）软件OpenFOAM与多物理场仿真引擎Project Chrono相结合，实现了对浮动结构的高保真模拟。这种结合不仅提升了模型的计算能力，还使得研究人员能够更准确地分析和预测多体浮动结构在波浪作用下的运动行为。

本文中提到的WSI模型，首次实现了OpenFOAM与Project Chrono的耦合。Project Chrono是一款功能强大的多体动力学（MBD）和有限元分析（FEA）仿真工具，它能够处理复杂的多体运动问题，包括刚体运动、接触力和柔性结构变形等。而OpenFOAM作为一款开源CFD软件，能够精确模拟流体流动，尤其是在处理非线性自由表面流动时表现出色。通过将这两个工具结合，研究人员成功构建了一个能够模拟刚体和柔性多体结构在波浪作用下的动力学行为的框架。

在该模型中，为了准确捕捉浮动结构的运动，采用了两种动态网格运动方法：网格变形（mesh deformation）和重叠网格（overset mesh）。网格变形方法适用于小范围的结构运动，而重叠网格方法则更适合处理大范围的结构运动，特别是在需要精确模拟结构旋转或移动时。此外，为了考虑波浪对结构的影响，模型中还引入了VOF（体积分数）方法，用于模拟空气和水之间的相互作用。这种方法可以准确捕捉自由表面的运动，并通过计算流体动力学中的压力和剪切力，评估结构在波浪作用下的受力情况。

为了模拟浮动结构的锚定系统，模型中集成了两种动态锚定模型：MoorDyn和Moody。MoorDyn是一种基于集中质量的锚定模型，适用于简单结构的锚定力计算；而Moody则采用有限元方法，能够更精确地模拟柔性锚定系统的行为。这两种模型在本文中被用于模拟浮动结构在波浪作用下的稳定性和运动特性，为研究多体浮动结构提供了更加全面的分析手段。

在模型中，还引入了OpenFAST，用于模拟浮动海上风电系统的气动、伺服控制和结构动力学行为。OpenFAST是一种广泛应用于风力涡轮机研究的开源工具，它能够计算风力涡轮机在风载荷作用下的响应，并与CFD模型进行耦合。通过这种方式，模型能够同时考虑波浪和风载荷对浮动结构的影响，从而更真实地模拟多用途浮动结构在复杂海洋环境中的行为。

为了验证模型的准确性，研究人员进行了六组实验测试，包括单个浮动结构（如浮动风力涡轮机半潜平台和点吸收式波浪能转换器）以及双体铰接筏等。这些实验测试涵盖了从简单的刚体运动到复杂的多体运动，并且结果表明，该模型能够达到与商业软件相当的精度。例如，在模拟1:70比例的浮动风力涡轮机半潜平台时，模型能够准确预测浮动结构的运动响应，并与实验数据保持高度一致。在模拟点吸收式波浪能转换器时，模型同样能够准确预测结构的垂直运动，并且与实验数据之间的差异非常小。

此外，研究人员还通过对比不同网格尺寸对模拟结果的影响，评估了模型的鲁棒性。结果表明，即使在使用较粗的网格时，模型仍然能够提供较为准确的结果。这表明该模型具有较高的计算效率，同时保持了较高的精度。然而，为了更精确地捕捉波浪峰值后的运动响应，特别是在漂移和回转方面，可能需要更长的模拟时间或更精细的网格划分。

在模拟过程中，研究人员还发现了一些值得注意的现象。例如，在锚定系统预张力的计算中，模型与实验数据之间存在一定的偏差。这种偏差可能是由于锚定系统的简化建模所致，即在模型中锚定系统被理想化为无质量的线性弹簧，而实际实验中可能存在其他因素，如流体阻力或锚定系统的非线性特性。此外，在模拟中还观察到了一些高频振荡现象，这可能是由于CFD模型中某些数值方案的稳定性问题所致。研究人员指出，这些问题可以通过优化时间步长、使用更高级的耦合算法或改进锚定系统建模来进一步解决。

对于双体铰接筏的模拟，研究人员发现模型在长周期波浪下的预测结果与实验数据高度一致，但在短周期波浪下的结果则存在一定的波动。这表明，模型在处理短周期波浪时仍需进一步优化。然而，通过引入更精确的波浪生成方法，如基于非线性理论的波浪生成模型，可以显著改善这一问题。

在对15兆瓦风力涡轮机半潜平台的模拟中，研究人员进一步验证了模型的适用性。该模拟采用了真实比例的风力涡轮机和浮动平台，并结合了风载荷和波浪载荷的影响。模拟结果显示，该模型能够准确预测浮动结构的运动行为，包括漂移、垂直运动和旋转等，并且与WEC-Sim（一种商业CFD模型）的预测结果非常接近。这表明，该模型在处理复杂多体系统时具有较高的可靠性。

总之，本文提出的新型WSI模型，不仅能够准确模拟浮动结构在波浪作用下的运动行为，还能够处理多体系统之间的相互作用，为海洋工程领域的研究提供了新的工具。该模型的成功开发和验证，表明使用开源软件进行高保真CFD模拟是可行的，并且能够为未来的多用途浮动系统设计提供重要的参考。随着海洋能源和海上养殖技术的不断发展，这种耦合模型的应用前景十分广阔。