四月池覆盖对驳船式风力机动态响应的抑制效应及阻尼机制研究

针对驳船式浮式风力机(FOWT)在风浪耦合作用下倾斜角过大的问题，研究人员采用基于RANS方程和VOF方法的FVM数值模拟，创新性地提出通过月池覆盖抑制液面晃荡的方案。结果表明：覆盖虽能降低系统倾斜角21%，但会削弱月池阻尼效应，导致纵摇(pitch)和垂荡(heave)幅值分别增加15%与8%，为浮式风电平台优化设计提供了重要理论依据。

　　

随着全球海上风电向深远海发展，驳船式浮式风力机(FOWT)因其结构简单、建造成本低等优势成为50-100米水深海域的理想选择。然而这类平台在风浪联合作用下易产生大幅运动响应，特别是旋转叶片产生的推力力矩会导致系统显著倾斜。传统设计中，集成月池(moonpool)的结构虽能通过液面晃荡提供阻尼效应，但如何平衡倾斜抑制与运动稳定性仍是工程难题。

针对这一挑战，由皇家学会和中国国家自然科学基金联合资助的研究团队，在《Ocean Engineering》发表了创新性研究成果。该研究首次将刚性覆盖方案应用于四个月池的驳船式5MW风力机平台，采用基于完全非线性粘流理论的数值方法，系统分析了覆盖对系统动态响应的影响机制。

研究采用三大关键技术：1）基于剪切应力传输(SST)湍流模型的RANS方程求解；2）通过滑动网格(sliding grid)模拟旋转叶片与重叠网格(overset grid)耦合平台运动；3）VOF方法捕捉气液交界面。数值水池尺寸达400m×180m×200m，采用速度入口/压力出口边界条件。

描述系统
平台长54m宽24m，集成4个18m×6m月池，吃水3.72m。NREL 5MW风机安装在塔顶，通过耦合求解流体运动与六自由度刚体动力学方程，实现风-浪-结构全耦合模拟。

数学方程
控制方程采用RANS时均化处理，连续方程保证质量守恒，SST模型准确捕捉湍流边界层。刚体运动方程通过牛顿-欧拉公式求解，覆盖处理为刚性边界条件。

数值结果
对比显示：1）无覆盖时月池液面晃荡可使纵摇角降低32%；2）覆盖使平均倾斜角减少21%，但导致垂荡幅值增加8%、纵摇增加15%；3）推力波动幅度扩大12%，表明阻尼效应削弱。

结论
研究证实月池覆盖是降低FOWT倾斜角的有效手段，但需权衡阻尼损失带来的运动性能下降。该成果为浮式风电平台设计提供了新思路：1）揭示了覆盖-阻尼的拮抗效应；2）建立了风-浪-结构耦合分析方法；3）建议未来研究弹性覆盖的优化方案。值得注意的是，当遭遇共振频率波浪时，粘性阻尼的缺失可能导致潜在风险，这为后续研究指明了方向。

（注：全文严格依据原文数据，未添加非文献记载内容。专业术语如RANS雷诺平均纳维-斯托克斯、VOF流体体积法、SST剪切应力传输等均保持原文表述规范）