海上柔性连接模块化漂浮光伏阵列的水动力性能数值研究及其对系泊参数的敏感性分析

《Marine Structures》：Numerical study of soft-connected modular offshore floating photovoltaic array

为解决海上漂浮光伏(FPV)系统在恶劣海洋环境下面临的技术挑战，研究人员通过数值模拟方法研究了柔性连接的模块化FPV阵列在波浪载荷下的动态响应特性。研究采用WADAM势流求解器和SIMO-RIFLEX时域分析软件建立了耦合水动力模型，并通过实验数据验证了模型的准确性。结果表明该FPV设计能有效跟随波浪垂向运动，同时揭示了系泊刚度和预紧力对系统运动响应的调控机制，为海上光伏系统的优化设计提供了重要依据。

　　

随着全球能源需求激增和碳中和目标推进，海上漂浮光伏(FPV)技术因其不占用陆地资源、冷却效率高等优势备受关注。然而，严苛的海洋环境给FPV系统带来巨大挑战——高达14米的波浪和25m/s的风速会显著缩短结构寿命，而盐雾腐蚀和紫外线辐射更是雪上加霜。尽管Solar Duck和Ocean Sun等创新设计不断涌现，但多数方案技术成熟度(TRL)仅为1-3级，特别是多模块阵列在复杂波浪下的水动力响应机制尚不明确。

针对这一技术瓶颈，国内研究人员在《Marine Structures》发表的研究中，创新性地采用多尺度数值模拟与实验验证相结合的方法，对6个互连浮筒组成的柔性连接FPV阵列进行了系统性研究。通过WADAM势流求解器计算频域水动力系数，结合SIMO-RIFLEX时域耦合分析，建立了考虑系泊线非线性特性的完整数值模型。研究特别关注了3×2阵列在0°和22.5°浪向角下的动态响应，并采用西班牙马德里理工大学水道实验数据进行了严格验证。

关键技术方面，研究团队首先通过GeniE软件建立浮筒湿表面网格（1744节点/1667单元），采用边界元法(BEM)求解辐射/绕射问题；其次引入Morison方程修正粘滞效应，通过Newman近似处理二阶波浪漂移力；最后在时域中采用Cummins方程整合记忆效应，并设置2%瑞利阻尼。特别值得注意的是，模型校准中发现了势流理论对低频波浪响应的低估现象，通过调整拖曳系数(C_D=2.0-2.2)和附加线性阻尼(最高6300 Ns/m)实现了与实验误差<7%的匹配精度。

2. 设计概念和实验测试

研究对象的创新性体现在轻量化多孔浮筒设计，其底部刚好覆盖波面以减少砰击载荷。实验采用1:60弗劳德比例尺，通过四点系泊系统模拟实际工况。测试包含10组规则波(波高1.9-15.3m)和3组不规则波(P-M谱)，首次完整获取了6个浮筒的运动轨迹和系泊张力数据。

3. 数值建模方法

突破性地将浮筒作为刚体、连接绳和系泊线作为柔性杆单元处理。通过势流理论计算附加质量A_f^∞和激励力F_exc(t)，在时域中引入记忆函数K_r(t)表征流体历史效应。验证发现浮筒吸水导致的12.5%质量变化会显著影响垂荡固有周期(实验2.15s vs 模拟2.10s)。

4. 数值实现

建立了一套完整的工作流程：从HydroD-WADAM频域分析到SIMA环境下的多体耦合仿真。关键创新在于采用0.5m单元尺寸离散系泊线，并通过胡克定律实现预紧力加载。雷诺数9.52×10⁶条件下的模拟准确再现了浮筒"随波逐流"的特性。

5. 数值校准结果

在规则波条件下，垂荡响应幅值算子(RAO)接近1，验证了设计的波浪跟随性。特别发现系泊线1.2g分辨率限制会导致短波张力测量误差增大15%。不规则波分析中，通过韦布尔分布拟合证实数值模型能准确预测最大浪向位移分布特征，但对极端海况(波高7.2m)下的垂荡响应存在20%高估。

6. 系泊参数研究

揭示了两项重要规律：① 系泊刚度增加50%可使系统固有周期从6s缩短至5.5s，但仅影响波频<5s的垂荡响应(<6.5%)；② 预紧力从30kN增至70kN时，极端海况下最大浪向位移可降低5.3%，但对动态振荡的阻尼作用有限。

这项研究的意义在于建立了首个经实验验证的FPV阵列高精度仿真模型，揭示了柔性连接系统"刚柔并济"的工作机制。发现的系泊参数敏感特性为未来GW级海上光伏农场设计提供了关键理论支撑，特别是证明了适度降低系泊刚度(如采用聚酯缆绳)可有效平抑共振响应。研究提出的多尺度校准方法，为同类海洋能装置开发树立了新标准。