多旋翼实时混合模型试验技术在10 MW半潜式海上浮式风机动态耦合分析中的应用与验证

针对传统浮式风机(FOWT)模型试验存在的尺度效应、湍流风场模拟困难及停机工况缺失等问题，研究团队创新性地开发了基于多旋翼加载装置的实时混合模型(RTHM)测试技术。通过1:75缩尺模型在波浪水池中完成自由衰减、规则波、纯风、风浪联合及停机试验，验证了该技术可精准复现湍流风载（最大偏差仅2.59%）并实现平台运动响应与系泊张力误差<2.12%，为超大型半潜式FOWT设计提供了关键实验依据。

　　

随着全球对可再生能源需求的激增，海上风电成为各国能源战略的核心组成部分。其中，浮式海上风机(FOWT)因其在深远海的部署潜力备受关注。然而，这些庞然大物在复杂的海洋环境中面临着气动-水动力耦合作用的严峻挑战——湍流风场与波浪载荷的相互作用直接影响其运行性能和结构安全。传统研究方法主要依赖数值模拟，但由于FOWT系统的极端复杂性，数值模型不得不引入大量假设，亟需实验验证。更棘手的是，传统缩尺模型试验存在难以调和的矛盾：风载荷需遵循雷诺数相似，而结构系统需满足弗劳德数相似，导致模型气动推力仅为目标值的20%-30%，无法准确反映真实耦合机制。

针对这一系列难题，大连理工大学的研究团队在《Marine Structures》发表了一项突破性研究。他们以10 MW半潜式FOWT为研究对象，开创性地提出了基于多旋翼加载装置的实时混合模型(RTHM)测试技术。这项技术巧妙地将系统分解为数值子结构（处理明确的气动耦合计算）和物理子结构（1:75缩尺模型），通过实时数据交互实现全耦合仿真。研究不仅公开了数值子结构开发流程和加载装置的控制方法，更首次在波浪水池中成功模拟了停机等特殊工况，填补了该领域实验技术的空白。

关键技术方法包括：1）建立包含6自由度运动反馈的数值子结构，基于OpenFAST实现实时气动载荷计算；2）设计多旋翼加载装置(MDF)精准复现推力/扭矩，通过PID控制实现湍流风载模拟（误差<2.59%）；3）在海洋工程试验水池完成包含自由衰减、规则波、纯风、风浪联合及停机等5类工况的系统验证。

框架设计：突破传统局限
研究团队创新性地将FOWT系统解耦为数值与物理子结构。数值子结构通过实时接收平台6自由度运动信号，计算气动载荷并反馈给物理模型的加载装置，形成闭环控制。这种设计有效规避了传统试验中雷诺数与弗劳德数的尺度冲突。

模型验证：精度与重复性双达标
自由衰减试验显示物理模型固有周期与设计值偏差<1%，验证了缩尺模型的准确性。在最具挑战性的风浪联合试验中，两次重复试验的平台纵荡、纵摇、垂荡运动及系泊张力平均误差均控制在2.12%以内，证明了RTHM技术的卓越重复性。

停机工况：揭示关键动力学特征
通过全球首次在模型试验中模拟停机工况，研究发现：停机状态下平台运动功率谱中波浪频率成分占比显著提升（较运行状态增加37%），这一发现为FOWT极端工况设计提供了重要依据。

多旋翼加载：性能突破
研发的MDF加载装置可同步复现推力、扭矩和偏航力矩。纯风试验数据显示，不同风向角下的平均气动载荷最大偏差仅2.59%，且湍流强度谱与目标谱吻合度达92%，远超传统单点加载方法的精度。

这项研究标志着FOWT实验技术的重大进步。通过RTHM技术，研究人员首次实现了：1）真实湍流风场的实验室级复现；2）气动-水动力全耦合作用的高保真模拟；3）极端工况的可控实验研究。特别值得注意的是，该技术揭示的停机工况动力学特性——波浪频率响应增强现象，为FOWT安全设计提供了全新视角。研究团队公开的数值子结构开发框架和MDF加载装置控制方法，更为行业建立了可复用的技术标准。

从工程应用角度看，这项技术突破直接服务于我国正在开发的超大型（10MW+）半潜式FOWT项目。实验验证的耦合动力学数据，可显著提升数值模型的可靠性，降低原型设计风险。正如通讯作者Wei Shi强调的："RTHM测试不仅解决了尺度效应难题，更开辟了研究FOWT特殊工况的新途径。"这项研究为海上风电走向深远海提供了不可或缺的实验方法论支撑。