环形调谐多液柱阻尼器(ATLMCD)在浮式海上风机多频多向振动控制中的动态特性研究

针对浮式海上风机(FOWT)在复杂风浪载荷下多向振动控制难题，中国研究人员创新性提出环形调谐多液柱阻尼器(ATLMCD)。通过建立动态模型与OpenFAST有限元仿真，证实ATLMCD在自由衰减工况下可使塔顶位移响应降低32%-33%，其环形结构兼具多频带减振与空间适应性优势，为海上风电结构安全提供新解决方案。

　　

随着全球海上风电向深远海发展，浮式海上风机(FOWT)因其不受水深限制、可维护性强的特点成为主流技术路线。然而这类结构面临风浪多向耦合激励的严峻挑战——塔筒的侧向振动不仅加速结构疲劳，更可能引发灾难性破坏。传统调谐质量阻尼器(TMD)虽能抑制单频振动，但难以应对FOWT六自由度运动与宽频激励特性。更棘手的是，海上风浪方向失配会引发复杂的多频共振现象，现有调谐液柱阻尼器(TLCD)因单向工作特性无法全面防护。

针对这一工程痛点，苏州科技大学与清华大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表创新成果，提出环形调谐多液柱阻尼器(ATLMCD)新构型。该设计将N个垂直液柱通过环形水平管道连通，形成可同时控制多方向振动的"液体弹簧"系统。研究通过理论建模、数值仿真与OpenFAST耦合分析三重验证，证明ATLMCD在自由衰减工况下可实现塔顶位移33%的减振率，即便在复杂风浪条件下仍保持显著抑振效果。

关键技术方法包括：1)建立ATL4CD运动方程，通过环形展开法将其等效为三液柱TLCD模型；2)采用ANSYS-FLUENT构建有限元模型，运用VOF方法追踪液面晃动；3)基于OpenFAST 3.1平台集成气动-水动-结构多物理场耦合分析；4)对比平台/塔筒两种安装位置的减振效能。

研究结果揭示：
• ATLMCD构型设计：通过8柱(ATL8CD)或4柱(ATL4CD)环形排列，形成天然多频调谐特性。其环形结构可等效为多个TLCD并联，水平向有效长度L_h与垂直液柱高度h_v共同决定固有频率ω_n=√(2g/L_eff)，其中L_eff=L_h+2h_v。
• 动态特性验证：FEM仿真显示阻尼挡板能有效耗能，k-ε湍流模型准确捕捉到液柱振荡时的涡流耗散。参数分析证实水平管径与液柱数量对频带宽度具有调控作用。
• FOWT耦合分析：自由衰减试验中，平台安装的ATLMCD使纵荡响应衰减时间缩短41%。在JONSWAP谱波浪与湍流风耦合作用下，虽因多频激励导致减振率降至约15%，但仍显著优于传统TLCD的单向控制效果。

这项研究突破传统阻尼器的方向局限性，其创新性体现在三方面：首先，环形结构自然适配风机塔筒的圆柱形特征，解决空间约束难题；其次，通过调节几何参数可实现0.05-0.25Hz宽频带调谐，覆盖FOWT主要模态；更重要的是，多液柱并联设计赋予系统冗余性，单个液柱故障不影响整体功能。研究团队Xin Chen等指出，该成果不仅为FOWT振动控制提供新范式，其环形多柱构型更可拓展应用于跨海桥梁、海洋平台等空间结构的多向振动抑制。未来通过集成智能控制算法，有望实现阻尼特性在线调节，进一步提升复杂海况下的适应能力。