三种半潜式浮式风力机系统的长期性能对比研究：粘性效应与平台动力学的影响

本研究针对台湾新竹海域，对比分析了圆盘型、驳船型和立柱型半潜式浮式风力机(FOWT)系统在四种布局下的长期性能。通过结合势流理论(P方法)与考虑粘性修正的CFD方法(VP/VC方法)，发现忽略粘性效应会低估平台阻尼，导致运动响应和系泊疲劳的高估。结果表明三类FOWT发电容量因子均达43%，其中立柱型动态特性最优，驳船型抗疲劳性能最佳，为深远海风电平台选型提供重要依据。

　　

随着全球能源格局变革，发展可再生能源成为各国实现能源自主的关键战略。台湾地区因化石能源高度依赖进口，加之台湾海峡得天独厚的风能资源，将海上风电作为重点发展方向，计划以每年1 GW的速度建设海上风场。相较于陆上风电，海上风电具有风资源丰富、发电容量因子高、不占用陆地等优势。在水深50-100米的海域，浮式海上风力机(Floating Offshore Wind Turbine, FOWT)因其建造便捷性和经济性成为首选方案。然而，FOWT系统在环境载荷作用下的复杂运动响应，给系统设计和性能预测带来巨大挑战。

传统基于势流理论的计算方法虽能降低计算成本，但会因忽略流体粘性而高估平台运动响应；而考虑粘性效应的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法虽结果更接近实际，却需要消耗大量计算资源。现有研究多聚焦极端工况下的FOWT性能，关于粘性效应对长期运行影响的系统性研究仍属空白。为此，来自国立台湾大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表论文，首次对比分析了圆盘型、驳船型和立柱型三种半潜式FOWT系统在新竹海域的长期性能差异，重点评估了粘性效应修正对平台动力学、发电性能和系泊疲劳的影响。

研究采用多软件协同的数值仿真框架：首先通过ANSYS AQWA基于势流理论计算平台水动力参数（P方法）；随后在STAR-CCM+中分别采用单频点(VP方法)和十频点(VC方法)的强迫运动模拟进行粘性修正；最终通过OrcaFlex开展集成分析，求解包含附加质量A_ij
、阻尼B_ij
和静水刚度C_ij
的平台运动方程。环境参数选取新竹海域的额定工况(RC)和50年一遇极端工况(50C)，并基于长期海况数据库进行统计分析。

平台设计特征
三种平台均配置35,875吨质量平台和SNL 13.2-MW风机，采用3×3悬链式系泊系统。圆盘型平台通过环形浮体提供稳定性；驳船型采用矩形浮箱设计；立柱型则依靠四个圆柱形浮筒。数值验证表明，SST k-ω湍流模型能准确预测带粘性效应的平台运动衰减。

粘性效应影响
对比P、VP、VC三种方法发现：忽略粘性效应会使平台阻尼被低估30-45%，导致纵摇和横摇运动幅值高估达25%，系泊线疲劳损伤预测值偏高40%。VC方法因考虑多频点修正，比VP方法更能反映宽频波浪下的粘性耗散特性。

平台类型对比
三类FOWT在额定工况下均实现43%的容量因子，但动态特性差异显著：立柱型平台因对称布局表现出最优的长期运动稳定性，其六自由度运动响应比驳船型低15-20%；而驳船型平台因更大的水线面面积，其系泊系统疲劳寿命比圆盘型延长30%。

布局方位影响
在45°斜浪工况下，所有平台均出现最大纵摇响应。其中立柱型对布局方位最敏感，不同方位下的疲劳损伤差异可达2.5倍，而圆盘型因轴对称设计方位敏感性最低。

该研究首次系统量化了粘性效应对FOWT长期性能的影响，证实传统势流方法会显著高估平台运动与系泊疲劳。提出的多频点粘性修正方法(VC)在保证计算效率的同时，将运动响应预测误差控制在5%以内。研究结果不仅为台湾海峡FOWT平台选型提供科学依据——推荐立柱型用于运动敏感区域、驳船型用于疲劳关键区域，更建立了考虑粘性效应的标准化性能评估框架。未来研究可进一步结合风-浪-流耦合作用，优化平台外形与系泊配置，推动深远海风电商业化进程。