海上风电半潜式平台在极端波浪中的数值模拟与实验验证：系泊系统动态响应与耦合算法研究

为解决浮式海上风力涡轮机(FOWT)在极端波浪条件下运动响应和系泊系统动力学的准确预测问题，研究人员开展了基于REEF3D框架的数值模拟与实验验证研究。通过耦合CFD求解器与准静态系泊模型/MoorDyn动态系泊模型，成功模拟了半潜式平台在非线性波浪中的六自由度运动，验证了Hydrodynamic-Coupling(HDC)方法在保证精度的同时显著提升计算效率。该研究为FOWT系泊系统设计提供了高精度数值工具，对深海风电开发具有重要工程意义。

　　

随着全球海上风电向深远海发展，浮式海上风力涡轮机(FOWT)面临着极端海洋环境的严峻挑战。半潜式平台作为主流浮式基础，其复杂的六自由度运动特性与系泊系统动力学行为直接关系到整个系统的安全性和发电效率。然而，现有数值工具在模拟极端波浪条件下的非线性流体-结构相互作用时，往往面临计算效率与精度难以兼顾的困境，特别是系泊线动态效应与平台运动的双向耦合机制尚未完全阐明。

挪威科技大学(Norwegian University of Science and Technology, NTNU)的研究团队在《Applied Surface Science Advances》发表的研究中，开发了一套创新的数值模拟框架。通过整合完全非线性势流理论(FNPF)与计算流体动力学(CFD)方法，并耦合准静态系泊模型和动态MoorDyn算法，成功实现了对INOWINDMOOR半潜式FOWT在极端波浪条件下全耦合动力学行为的高效模拟。研究团队采用Hydrodynamic-Coupling(HDC)技术，在近场使用CFD精确捕捉波浪-结构非线性相互作用，而在远场采用FNPF高效生成波浪，显著降低了计算成本。实验验证部分包含三类规则波和聚焦波测试，通过运动响应和系泊张力数据的系统对比，证实该框架能准确预测平台在波高比(H/λ)达1:15的极端工况下的动力学行为。

关键技术方面，研究主要运用了：1)基于浸入边界法(DF-IBM)的流固耦合算法；2) FNPF-CFD双向耦合的HDC技术；3) 准静态与动态(MoorDyn)系泊模型的并行实现；4) 高阶WENO格式的自由面捕捉方法；5) 模型实验数据验证体系。

数值模型验证

通过3D系泊浮箱实验对比显示，两种系泊模型在规则波中的运动预测误差均低于8.06%(NMAE)，其中MoorDyn能更好捕捉系泊线动态效应。在波高0.1575m的Wave-2工况下，纵荡运动频谱分析成功识别出平台固有频率(0.12Hz)与波浪频率(0.14Hz)的双峰特征。

半潜式平台动力学

网格收敛性研究表明，0.025m网格可准确预测16.6s的垂荡固有周期。在聚焦波测试中，HDC方法将CFD域缩减至30m，使计算时间控制在6小时(8核)，同时保持波峰预测误差<5%。特别值得注意的是，在等效全尺度波高47.2m的极端工况下，平台纵摇角频谱显示出明显的二阶非线性特征。

系泊系统性能

研究发现准静态模型会低估迎浪方向系泊线(Line-2)张力峰值达15%，但对平台运动响应影响有限。动态模型则能捕捉0.15Hz的高频振动分量，这与平台-系泊耦合共振现象相关。在聚焦波作用下，两种模型预测的系泊张力极值差异缩小至7%，表明极端工况下准静态假设的适用性提升。

这项研究建立的完整数值框架，为FOWT在极端海况下的安全评估提供了可靠工具。其创新点在于：1) 通过HDC技术实现了千米级波浪场景的高效模拟；2) 验证了准静态模型在工程快速评估中的适用边界；3) 揭示了系泊动力学对平台高频响应的影响机制。这些成果不仅对浮式风电结构设计具有直接指导价值，也为后续研究波浪-风机-系泊多物理场耦合问题奠定了基础。未来工作可进一步整合气动载荷模块，以完成FOWT全耦合系统的高保真仿真。