波浪中浮式结构物与系泊动力耦合的CFD高效仿真方法研究

为解决浮式海上风机(FOWT)、波浪能转换器(WEC)等结构在波浪中响应预测的精度与效率问题，研究人员系统研究了OpenFOAM与MoorDyn耦合的CFD-系泊动力学联合仿真方法。通过对比overset/morphing网格技术、VoF/isoAdvector自由面捕捉方法和FloatStepper算法，验证了overset技术在计算效率上的优势，为复杂浮式结构生存性研究提供了高效仿真框架。

　　

随着全球对可再生能源需求的增长，浮式海上风机(FOWT)和波浪能转换器(WEC)等海洋结构物的开发面临严峻挑战。这些结构在深水环境中不仅要承受复杂的环境载荷，其系泊系统与波浪的非线性相互作用更是设计难点。传统基于势流理论的线性模型在预测大振幅波浪下的非线性现象（如波浪爬升、破碎波等）时存在局限，而高精度的计算流体力学(CFD)方法又面临计算效率低、耦合算法不稳定等问题。

针对这一技术瓶颈，研究人员开展了浮式结构与系泊系统耦合仿真方法研究。通过将开源CFD软件OpenFOAM与集总质量系泊模型MoorDyn耦合，系统评估了不同动态网格技术、自由面捕捉方法和刚体运动算法的性能。研究团队创新性地将MoorDyn V2的新功能与FloatStepper非迭代算法结合，解决了轻质浮体与重流体相互作用时的附加质量不稳定性问题。

关键技术包括：(1)采用overset和morphing两种动态网格技术处理浮体运动；(2)对比几何方法isoAdvector与代数方法VoF的自由面捕捉精度；(3)运用FloatStepper算法分解附加质量项；(4)基于Ghent大学实验数据验证立方体浮箱在规则波中的运动响应；(5)通过20/40/80段系泊离散化分析张力收敛性。

研究结果显示：在波浪模拟方面，所有方法均能准确捕捉波高变化，VoF与isoAdvector的归一化均方误差(NMSE)相当。浮体运动响应中，overset技术(overInterDyMFoam)的预测与实验吻合最佳，其surge运动NMSE仅0.0254，较morphing网格降低47%。系泊张力分析表明，MoorDyn V2能有效模拟锚链1的冲击载荷，但受限于准静态海床模型，在低张力区出现数值振荡。通过将轴向刚度(EA)从29 N提升至50 N，张力幅值预测精度提高21%。

计算效率对比具有显著指导意义：overset网格(340万单元)较morphing网格(370万单元)节省35%计算时间；FloatStepper算法中，将附加质量更新频率(MaddUpdateFreq)从1调整为100可减少20%耗时而不影响精度。最优配置(overset+VoF+Co=0.9)在保持精度的同时，将典型工况计算时间控制在11.2小时。

这项发表于《Ocean Engineering》的研究建立了首个整合MoorDyn V2与FloatStepper的开放框架，为浮式结构生存性分析提供了标准化仿真流程。其创新点在于：(1)验证了overset技术在耦合仿真中的效率优势；(2)阐明了系泊离散化程度对张力振荡的影响机制；(3)提出了附加质量矩阵的优化更新策略。该成果不仅适用于简单浮箱，其方法论更可拓展至FOWT等复杂结构的设计分析，为海洋可再生能源装备的可靠性和经济性评估提供了重要工具。未来工作将聚焦于不规则波况下的模型验证，以及波浪运动学与系泊动力学的全耦合实现。