新型垂直轴风力机-网箱一体化平台在规则波中的水动力响应实验研究

【编辑推荐】为探索海上风电与养殖业协同开发的新模式，研究人员针对垂直轴风力机-网箱一体化平台(VAWT-FC)开展水动力响应实验。通过1:100缩尺模型测试发现：波高增加导致平台纵荡(surge)、垂荡(heave)、纵摇(pitch)及系泊张力显著提升（波高12cm时纵摇达11.70°，系泊力增长229%）；波长变化则呈现临界拐点（周期0.8s时纵摇峰值与垂荡/纵荡最小值对应平台跨度0.851m）。该研究为风光渔多能互补平台优化设计提供重要依据。

　　

随着全球对绿色能源和可持续食品需求的激增，海上风电与深水养殖的融合发展成为海洋资源利用的新范式。尽管水平轴风力机(HAWT)与养殖平台的集成已有较多研究，但具有重心低、空间效率高等优势的垂直轴风力机(VAWT)在此领域的应用仍缺乏实验验证。尤其当波长接近平台特征尺寸时，其水动力耦合机制尚不明确。这种认知空白直接制约了多功能海上平台在复杂海况下的稳定性设计与经济性评估。

针对这一瓶颈，中国某研究团队在《Aquacultural Engineering》发表论文，通过物理模型实验揭示了VAWT-网箱一体化平台(VAWT-FC)的动态响应规律。研究采用1:100缩尺模型，利用规则波水槽测试结合运动捕捉系统，量化了不同波高(3-12cm)与周期(0.6-1.2s)下平台的六自由度运动及系泊力变化，首次报道了波长与平台跨度的共振效应。

实验设计
模型包含浮式框架、VAWT转子、聚乙烯网衣及四点悬链线系泊系统。通过非接触式光学追踪技术记录标记点三维轨迹，同步采集系泊张力数据。测试涵盖4种波高（固定周期1.0s）和5种周期（固定波高6cm）工况，重点分析纵荡、垂荡、纵摇这三个对能源捕获与养殖安全影响最显著的自由度。

响应波高变化
数据显示，波高从3cm增至12cm时：

• 纵摇角幅值从3.17°线性增至11.70°，系泊张力峰值提升229%
• 波能输入增强导致垂荡位移扩大2.8倍
• 越浪现象呈现两阶段演化特征：初期离散水滴飞溅→后期连续流态覆盖

响应周期变化
在0.6-1.2s周期范围内发现非线性响应：

• 临界周期0.8s（对应波长0.851m≈平台跨度）时出现动力学拐点
• 纵摇幅值在此周期达最大值6.25°，而垂荡/纵荡振幅降至最低
• 波长增加导致破波形态经历附着流→分离流两相转变

讨论与结论
该研究首次证实VAWT-FC平台存在波长相关的共振响应，其机理可解释为：当入射波长接近平台特征尺寸时，绕射波与反射波叠加增强结构振动。这一发现为避开不利共振频带提供了设计阈值（建议运营海域主导波周期偏离0.8s）。此外，波高与系泊力的平方关系提示需在台风季采用动态张力补偿装置。

相比传统HAWT集成方案，VAWT-FC展现出更优的运动稳定性——纵摇幅值降低约18%（同工况下），这得益于其对称气动外形和低位重心。研究结果不仅为风光渔互补系统选址与系泊优化提供理论支撑，更开创性地建立了VAWT水动力数据库，推动该技术在中国南海等高波能海域的应用。未来研究可结合不规则波与风-浪-流耦合载荷进一步验证工程适用性。