非线性水动力学对半潜式风力机全局动态响应的关键影响机制研究

针对半潜式风力机在复杂海洋环境中低频动态响应被低估的问题，研究人员通过CFD模拟修正势流理论的二次差频波力QTFs和频变附加质量/阻尼系数，构建了OpenFAST耦合数值模型。结果表明：修正QTFs使不规则波下纵荡响应增幅超50%，而修正阻尼使低频响应降低达50%。该研究为浮式风机非线性水动力载荷精准预测提供了创新方法，对深水风电结构设计具有重要工程意义。

　　

随着全球海上风电向深水区发展，半潜式风力机因其吃水浅、稳定性好等优势成为主流选择。然而这类结构在波浪中表现出的复杂非线性水动力现象，尤其是低频共振响应，一直是工程设计的难点。传统势流理论结合Morison方程的方法会显著低估差频波力(QTFs)和阻尼效应，导致OC5/OC6国际合作项目中发现低频响应预测偏差可达50%以上。这一误差主要源于势流理论无法准确捕捉垂荡板涡脱落引发的附加质量变化和粘性耗散效应，直接影响风机塔底弯矩、系泊张力等关键参数的计算精度。

为解决这一难题，大连理工大学的研究团队创新性地采用计算流体力学(CFD)与工程软件耦合的方法，以OC4-DeepCwind半潜式风力机为研究对象，在《Applied Ocean Research》发表了重要研究成果。他们通过OpenFOAM模拟双色波作用下的固定平台获得差频波力QTFs修正值，结合强迫振荡试验提取频变附加质量A_ij和阻尼B_ij，最终在OpenFAST中建立包含修正参数的耦合动力学模型。关键技术包括：基于二阶势流理论WAMIT计算全矩阵QTFs、采用最小二乘法拟合CFD稳态结果、通过SIMO-RIFLEX平台进行时域耦合分析，并对比了DP-ADP（纯势流）、DP-ADC（仅修正阻尼）、DC-ADP（仅修正QTFs）和DC-ADC（全修正）四种模型。

2.1 半潜式平台非线性水动力学
研究发现垂荡板边缘涡脱落使CFD计算的附加质量比势流理论预测值高12%，且粘性阻尼占主导地位。通过双色波模拟获得的差频纵荡力QTFs在0.05-0.09Hz频段与势流结果接近，但在高频区显著增大（图2）。修正后的阻尼系数B₁₁在低频区呈现明显非线性增长（图3），这解释了OC5项目中观测到的低频响应偏差现象。

4.1 不规则波工况
在6m波高工况下，修正QTFs使纵荡共振响应增幅达100%（图5），而修正阻尼使垂荡共振降低20%（图8）。特别值得注意的是，修正模型首次捕捉到纵荡-纵摇耦合运动特征。极端波况（H_s=15m）时，垂荡共振与波浪频率分量发生融合，此时修正阻尼仍可使响应降低18%（图27）。

4.2 湍流风工况
纯风况下修正阻尼使纵荡响应降低17-33%（图17），但对差频波力修正不敏感。这表明风致低频响应主要受阻尼特性影响，与波激振动机制存在本质差异。

4.3 风浪联合工况
在额定风速+6m波高条件下，修正QTFs使纵摇共振响应增加20%（图29），但风速增至18m/s时该效应减弱。极端联合工况（47.5m/s风+15m波高）下，修正阻尼仍能使纵摇响应降低11%，验证了方法的鲁棒性。

这项研究首次系统量化了非线性水动力因素对半潜式风力机不同运动模态的影响权重：差频波力QTFs主要影响低频波激振动，而粘性阻尼修正对风致振动更为关键。所建立的CFD-OpenFAST混合模型成功解决了OC5项目揭示的低频响应预测难题，为IEC 61400-3标准中的极端工况评估提供了新方法。工程应用表明，忽略垂荡板非线性效应会导致系泊张力低估达55%（图35），这将直接影响系泊系统安全系数设计。该成果不仅为DeepCwind等半潜式平台优化提供理论支撑，其"CFD修正+工程软件耦合"的技术路线更可推广至其他浮式结构物设计领域。