IEA 15 MW海上浮式风力机UMaine VolturnUS-S平台拖航模拟与实验研究：半潜式平台动力学与船舶模拟器应用

为解决浮式海上风电(FOWT)拖航作业中平台动力学数据匮乏的问题，研究人员通过1:70比例模型实验与船舶模拟器耦合建模，揭示了IEA 15 MW风机在UMaine VolturnUS-S半潜式平台上的拖航阻力特性。研究发现20 m吃水状态下需280吨系柱拉力实现3.5节航速，波浪增阻效应在低航速时显著，为FLOW大规模部署的拖航路线优化提供了关键数据支撑。

　　

随着全球海上风电向深水区发展，浮式海上风力发电机(FOWT)成为开发60米以深海域风能资源的关键技术。英国政府计划到2035年在凯尔特海部署4.5 GW浮式风电，而全球浮式风电项目储备已超100 GW。然而，当前对15 MW级大型FOWT的拖航作业缺乏系统性研究，特别是半潜式平台在湿拖过程中的水动力性能、拖缆受力特性以及环境载荷影响等核心问题亟待解决。

普利茅斯大学的研究团队针对IEA 15 MW风机在UMaine VolturnUS-S平台上的拖航问题展开多尺度研究。通过1:70弗劳德比例模型在Southampton大学拖曳水池开展实验，结合基于OpenFOAM的多相流CFD模拟和船舶动力学仿真，首次系统评估了该平台在20 m吃水状态下的拖航性能。相关成果发表在《Ocean Engineering》上。

关键技术包括：1) 1:70比例模型拖曳实验测量不同航速(3.25-8.13节)下的拖缆张力；2) 基于OpenFOAM的k-ω SST湍流模型模拟平台水动力阻力；3) 船舶模拟器构建包含AHTS拖船、钢缆拖线和平台的三体六自由度耦合系统；4) JONSWAP和Pierson-Moskowitz谱生成不规则波况。

【实验结果】

1. 拖航阻力特性：
   实验数据显示单柱30°拖带(Configuration A)比双柱60°拖带(Configuration B)平均张力高2-10%，CFD模拟与实验数据在静水工况误差<10%。5.5 m波高条件下低速(3.25节)拖航时波浪增阻达21.9%。

2. 平台运动响应：
   船舶模拟器预测平台纵摇角随航速增加而减小，最大横摇速度仅厘米级。实验发现Configuration B因拖点偏离质心会产生显著俯仰力矩，在4.88节航速时纵摇标准差达0.5°。

3. 拖航系统性能：
   280吨系柱拉力的AHTS拖船在无风条件下最大航速3.53节，5.5 m浪况下需513-559吨拉力维持4.88节航速，与Crowle和Thies的理论估算相符。

【结论与意义】
研究首次验证了船舶模拟器作为替代模型在FOWT拖航研究中的适用性，静水工况误差<10%，但波浪增阻系数的缺失导致恶劣海况预测偏差达21.9%。20 m吃水状态虽满足稳定性准则，但需多艘拖船协同作业才能达到商业拖航速度(2-4节)。该成果为FLOW大规模部署的拖航方案优化、安装窗口期规划和风险评估提供了关键技术支撑，特别是揭示了半潜式平台在不同波陡条件下的速度-张力关系。未来需结合风载荷实验和变吃水工况研究，进一步完善船舶模拟器的流体记忆效应建模。