基于OpenFOAM-OpenFAST耦合框架的浮式海上风机气动-伺服-水动力-系泊耦合动力学研究

推荐：为解决浮式海上风机(FOWT)在极端波浪环境下非线性耦合动力学问题，研究人员开发了基于OpenFOAM和OpenFAST的开源耦合框架，通过动态链接库实现气动-伺服-水动力-系泊多场耦合。验证表明该方法能显著提升计算效率，并首次系统揭示了聚焦波工况下FOWT的运动放大效应与能量传递机制，为台风频发海域的风机设计提供新思路。

　　

随着全球海上风电装机容量突破1021 GW（其中海上风电75 GW），浮式海上风机(FOWT)因其适应深水环境的优势成为研究热点。然而，复杂海洋环境下的多物理场耦合问题，特别是台风引发的极端波浪作用，给FOWT设计带来巨大挑战。传统方法如势流理论难以准确模拟强非线性波浪，而全尺度计算流体力学(CFD)方法又面临计算资源瓶颈。这一矛盾在中国南海等台风频发海域尤为突出，亟需开发兼顾精度与效率的新型耦合分析方法。

针对这一难题，研究人员开发了基于开源软件OpenFOAM和OpenFAST的耦合仿真框架。该框架通过动态链接库技术实现双向耦合：OpenFOAM负责计算浮体水动力响应和系泊载荷，OpenFAST处理气动-伺服-结构耦合动力学，两者通过坐标变换实现数据交互。研究选用OC4-DeepCWind 5MW半潜式风机为对象，采用k-ω SST湍流模型和VOF方法捕捉强非线性波浪，并通过NewWave理论生成聚焦波。

验证研究
自由衰减试验显示，耦合方法获得的纵荡/横荡固有周期(120.2s/120.5s)略长于势流理论结果，这归因于CFD方法更精确捕捉的粘性效应。在规则波验证中，纵荡/垂荡运动响应幅值算子(RAO)与实验数据吻合度优于传统FAST软件，特别是垂荡共振区(周期20s)的计算精度提升显著。动态系泊模型计算的锚链张力更接近实验值，揭示准静态模型会低估极端载荷达23%。

聚焦波工况发现
在峰值周期T_p=15s的聚焦波作用下，研究发现：

1. 纵荡运动呈现双峰特性：额定工况(Case1-3)下，66秒出现由气动推力主导的第一峰值(5.55°-5.72°)，100秒出现波浪诱导的第二峰值(4.79°-5.66°)；而停机工况(Case4)仅保留波浪诱导单峰(3.23°)。
2. 小波陡条件(波高7.28m)下，平台最大压力46 kPa出现在波峰作用中央立柱时刻，流速场显示上游立柱出现4.2 m/s的高速区；极端波高13.51m时，压力峰值升至88 kPa，伴随6.3 m/s的强湍流。
3. 小波变换分析揭示垂荡运动能量集中在入射波谱峰频率(f=0.067Hz)和固有频率(f=0.056Hz)处，表明存在显著的波频共振现象。

气动性能影响机制
聚焦波导致的关键气动特性变化包括：

1. 当平台俯仰角达峰值时，发电机功率骤降至最低点，这种反相关系数随波陡增大而增强。
2. 塔顶前后位移频谱呈现双峰特征，除波浪主频外，在塔架一阶固有频率0.37Hz处出现明显能量集中，暗示可能引发疲劳损伤。
3. 停机工况下，90°桨距角使转子推力降低约70%，但塔基弯矩仍保持波浪主导的周期性特征。

该研究构建的耦合框架将全CFD方法的计算耗时从18,432核时降至4,608核时，同时保留了气动弹性与伺服控制的关键细节。首次系统阐明了FOWT在聚焦波作用下的能量传递路径：波浪能→平台动能→俯仰运动→扫掠面积变化→气动载荷波动→功率振荡。这一发现为台风海域FOWT的生存策略制定提供了理论依据，特别是揭示了停机状态下仍需重点防范波浪共振风险。未来工作将扩展至不规则波、海流耦合等更复杂海洋环境，并引入AI算法进一步优化计算效率。