基于机器学习的浮动风力涡轮机系泊系统在系泊故障条件下的优化

《Ocean Engineering》：Optimization of floating wind turbine mooring system under mooring failure condition based on machine learning

浮式海上风力涡轮机在不同垂荡幅度（0.01-0.04D）和频率（St=0.2-1）下的尾流摆动特性研究表明：垂荡显著加速尾流恢复，频率影响强于幅度，St=0.4时恢复速度提升29%；St=0.2-0.6范围内出现尾流摆动，下游最大中心位移达0.68D；垂荡导致尾流分布不对称及直径各向异性增强，下游8D处垂直直径增量达11.8%。

　　在当今全球能源结构中，风能作为一种清洁可再生能源，其重要性日益凸显。随着技术的进步和需求的增长，海上风电场的建设速度显著加快。预计到2030年，全球海上风力发电机组的总装机容量将达到380吉瓦，而到2050年则可能攀升至2000吉瓦。这一发展趋势使得浮动式海上风力发电机组（FOWT）成为研究热点，因其相较于传统固定式风力发电机组，具有更低的成本和更高的风能利用效率。然而，FOWT在运行过程中会受到风与波共同作用的影响，产生六自由度（6-DOF）的运动，这不仅会导致风场中涡流结构的变化，还可能引发复杂的尾流演变，进而对风场布局、发电效率以及风力发电机的安全性产生深远影响。

为了更深入地理解FOWT尾流特性及其在6-DOF运动下的变化，研究人员采用了多种方法进行研究，包括风洞实验、数值模拟和现场测量。其中，数值模拟因其能够提供更为详细和可控的流场信息，成为研究尾流行为的重要手段。然而，传统的雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）方法在预测尾流中的湍流特性时存在一定的局限性。相比之下，大涡模拟（LES）方法能够更准确地捕捉尾流中的湍流边界层状态，从而为研究FOWT尾流特性提供了更可靠的工具。本文采用LES方法，在理想流入条件下，对不同振幅和频率的FOWT尾流进行模拟，使用涡线模型（ALM）对风力机叶片进行建模。研究结果表明，FOWT在不同振幅和频率下的尾流恢复速度显著加快，其中频率的影响比振幅更为显著。

在理想条件下，FOWT的尾流恢复速度比固定式风力发电机组快29%。这一现象可能与FOWT的六自由度运动所引起的尾流结构变化有关。研究还发现，当斯特劳哈尔数（St）在0.2至0.6之间时，尾流会出现明显的摆动现象，其下游最大尾流中心位移可达0.68倍的叶片直径（D）。这一摆动现象被认为是由于流场中大尺度湍流涡旋的作用，这些涡旋的尺度远大于叶片直径，导致尾流中出现极端的湍流波动。当斯特劳哈尔数超过0.6时，这种摆动现象则不再显著，尾流恢复速度反而下降。这表明，FOWT的尾流摆动现象与运动频率之间存在密切关系，频率越高，尾流摆动越剧烈，而当频率超过一定阈值后，摆动现象会受到抑制。

此外，FOWT的六自由度运动对其尾流结构产生了显著影响。研究表明，摆动（sway）和上下运动（heave）对尾流摆动的诱导作用最为明显，而推力（surge）和俯仰（pitch）运动则对尾流的稳定性产生重要影响。在这些运动中，上下运动对尾流摆动的影响尤为突出。例如，研究发现，当FOWT的上下运动频率与海况、流入风速和风力机旋转频率相匹配时，会形成更为显著的尾流摆动现象。这种现象不仅影响尾流的几何形状，还可能导致下游风力发电机的负载周期性波动。而俯仰运动则会在风力机尾流的上部区域增强湍流强度，使尾流中心线在下游方向上发生偏移，从而影响整个风场的运行性能。

FOWT的尾流摆动现象对风场布局和发电效率具有重要影响。尾流摆动不仅会导致下游风力发电机的负载波动，还可能影响整个风场的能量捕获能力。因此，深入研究FOWT的尾流摆动特性，对于优化风场布局和提高发电效率具有重要意义。目前，许多研究已经关注了FOWT在不同运动模式下的尾流行为，但针对不同振幅和频率下尾流摆动特性的系统研究仍然较少。本文通过LES方法，对FOWT在不同振幅和频率下的尾流摆动特性进行了深入分析，揭示了频率对尾流摆动和恢复的主导作用，以及振幅对尾流不对称性和各向异性的影响。

研究还发现，FOWT的上下运动不仅会影响尾流的摆动特性，还可能改变尾流的几何形状。例如，当上下运动频率较高时，尾流会呈现出更复杂的摆动模式，而振幅的增加则会导致尾流的不对称性增强。此外，上下运动还可能促进尾流中涡旋的合并，形成更强、更持久的涡旋结构，从而影响尾流的恢复速度。这种涡旋结构的变化对于尾流的稳定性具有重要影响，特别是在涡旋间距减小的情况下，涡旋之间的相互作用会加剧，导致涡旋结构的快速破坏，从而促进尾流的恢复。

在研究FOWT的尾流摆动特性时，还发现涡旋结构的演变对尾流的恢复速度具有显著影响。涡旋的合并和破坏是尾流恢复的重要机制之一，而这些过程又受到运动频率和振幅的调控。例如，当运动频率较高时，涡旋之间的相互作用更为频繁，导致涡旋结构的快速破坏，从而加快尾流的恢复速度。而振幅的增加则可能改变涡旋的生成和分布模式，使其在尾流中呈现出更复杂的结构。这种涡旋结构的变化不仅影响尾流的几何形状，还可能对尾流的湍流强度产生影响，从而进一步影响尾流的恢复过程。

在实际应用中，FOWT的尾流摆动特性对于风场的运行和管理具有重要意义。由于尾流摆动会导致下游风力发电机的负载波动，因此需要在风场布局设计时充分考虑这一因素。此外，尾流摆动还可能影响风场的整体发电效率，因此需要通过优化运动参数来减少尾流摆动对下游风力发电机的影响。目前，许多研究已经关注了FOWT在不同运动模式下的尾流行为，但针对不同振幅和频率下尾流摆动特性的系统研究仍然较少。本文通过LES方法，对FOWT在不同振幅和频率下的尾流摆动特性进行了深入分析，揭示了频率对尾流摆动和恢复的主导作用，以及振幅对尾流不对称性和各向异性的影响。

研究还发现，FOWT的尾流摆动特性与尾流的恢复速度之间存在复杂的相互作用。一方面，尾流摆动会增强尾流中的湍流强度，从而促进尾流的恢复；另一方面，尾流摆动的频率和振幅变化又可能影响尾流的结构稳定性，进而影响尾流的恢复过程。例如，当运动频率较高时，尾流摆动更为剧烈，导致尾流中涡旋的快速合并和破坏，从而加快尾流的恢复速度。而振幅的增加则可能导致尾流的不对称性增强，使得尾流的恢复过程更加复杂。因此，在设计FOWT的运动参数时，需要综合考虑频率和振幅的影响，以实现最佳的尾流恢复效果。

在实际应用中，FOWT的尾流摆动特性对于风场的运行和管理具有重要意义。由于尾流摆动会导致下游风力发电机的负载波动，因此需要在风场布局设计时充分考虑这一因素。此外，尾流摆动还可能影响风场的整体发电效率，因此需要通过优化运动参数来减少尾流摆动对下游风力发电机的影响。目前，许多研究已经关注了FOWT在不同运动模式下的尾流行为，但针对不同振幅和频率下尾流摆动特性的系统研究仍然较少。本文通过LES方法，对FOWT在不同振幅和频率下的尾流摆动特性进行了深入分析，揭示了频率对尾流摆动和恢复的主导作用，以及振幅对尾流不对称性和各向异性的影响。

研究还发现，FOWT的尾流摆动特性与尾流的恢复速度之间存在复杂的相互作用。一方面，尾流摆动会增强尾流中的湍流强度，从而促进尾流的恢复；另一方面，尾流摆动的频率和振幅变化又可能影响尾流的结构稳定性，进而影响尾流的恢复过程。例如，当运动频率较高时，尾流摆动更为剧烈，导致尾流中涡旋的快速合并和破坏，从而加快尾流的恢复速度。而振幅的增加则可能导致尾流的不对称性增强，使得尾流的恢复过程更加复杂。因此，在设计FOWT的运动参数时，需要综合考虑频率和振幅的影响，以实现最佳的尾流恢复效果。

此外，FOWT的尾流摆动特性还可能影响整个风场的运行效率和安全性。由于尾流摆动会导致下游风力发电机的负载波动，因此需要在风场布局设计时充分考虑这一因素。例如，通过调整FOWT的运动频率和振幅，可以有效控制尾流摆动的强度和范围，从而减少对下游风力发电机的影响。同时，尾流摆动还可能影响风场的整体发电效率，因此需要通过优化运动参数来减少尾流摆动对下游风力发电机的影响。

在实际应用中，FOWT的尾流摆动特性对于风场的运行和管理具有重要意义。由于尾流摆动会导致下游风力发电机的负载波动，因此需要在风场布局设计时充分考虑这一因素。此外，尾流摆动还可能影响风场的整体发电效率，因此需要通过优化运动参数来减少尾流摆动对下游风力发电机的影响。目前，许多研究已经关注了FOWT在不同运动模式下的尾流行为，但针对不同振幅和频率下尾流摆动特性的系统研究仍然较少。本文通过LES方法，对FOWT在不同振幅和频率下的尾流摆动特性进行了深入分析，揭示了频率对尾流摆动和恢复的主导作用，以及振幅对尾流不对称性和各向异性的影响。

综上所述，FOWT的尾流摆动特性是一个复杂而重要的研究领域。通过深入研究不同振幅和频率下的尾流摆动行为，可以更好地理解FOWT在不同运动条件下的尾流演变机制，从而为优化风场布局、提高发电效率和确保风力发电机的安全运行提供理论依据和技术支持。未来的研究可以进一步探讨尾流摆动与其他运动模式之间的相互作用，以及在不同海况和风况下的尾流摆动特性变化，以期为浮动式海上风电场的设计和运行提供更为全面的指导。