5兆瓦漂浮式垂直轴风力发电机的动态响应：基于预计算气动载荷的混合波浪水池试验研究

《Marine Structures》：Dynamic responses of a 5 MW floating vertical-axis wind turbine: a hybrid wave basin test study with precomputed aerodynamic loads

　　

• 针对5 MW半潜式浮动垂直轴风力机的预计算气动载荷混合水池试验。
• 推力和侧向力历程以足够的保真度得以重现。
• 在风浪载荷下检验了动力响应。
• 识别并讨论了不同的响应特征。
• 为检验浮动垂直轴风力机的动力学特性提供了一种可控的实验方法。

引言

风能已成为全球向低碳电力系统转型的核心组成部分，2025年全球新增风电装机容量达165 GW，全球累计风电装机容量超过1299 GW[1]。这一扩张正日益向海上延伸，特别是向更深水域扩展，而浮动式基础为固定式支撑结构无法覆盖的深度范围提供了切实可行的途径。截至2024年底，全球海上风电装机容量已达83.2 GW，而净装机浮动式风电容量仅为约278 MW，表明浮动式风电仍处于技术成熟早期阶段[2]。在此背景下，浮动式垂直轴风力机作为一种深水部署的替代构型引起了关注。其免对风运行特性及有利的质量分布特性可能对浮动应用有益，而多转子垂直轴风力机构型显示出提升阵列规模性能的潜力，其中转子布置、相位干涉和固度会影响功率输出、尾流相互作用和交替载荷[3,4,5]。这些潜在优势促使人们进一步研究浮动式垂直轴风力机的动力响应。

实验研究在表征浮动式垂直轴风力机在风浪联合激励下的动力行为方面发挥了重要作用。现有的全物理水池试验已研究了多种垂直轴风力机-浮体构型，包括立柱式、驳船式、半潜式和螺旋式转子概念，并报告了平台运动放大、纵摇中的气动阻尼、转子旋转引起的艏摇响应以及联合环境载荷下的系泊张力重分配等响应特征[6,7,8,9,10]。这些结果展示了物理转子水池试验在观测浮动垂直轴风力机系统整体行为方面的价值。在物理转子水池试验中，气动载荷由模型尺度转子在弗劳德相似缩放条件下产生。雷诺数敏感的转子空气动力与流体力学缩放之间的不匹配要求在推力、转速、扭矩和特征气动频率方面做出折中，这可能会降低所产生风载荷的实物等效性。性能缩放转子设计通过匹配推力、侧向力等关键气动参数改善了这一情况；基于该策略的近期水池试验进一步表明，风载荷主要影响平均响应水平，而波浪载荷主导平台振荡，转子相关谐波则对结构和系泊载荷波动做出贡献[11]。然而，物理转子水池试验仍然存在局限性，因为模型转子通常是针对特定风速设计的，可能无法在其他运行条件下保持气动等效性。这些局限性表明，除了物理转子试验外，还需要替代实验方法，在这些方法中气动激励可以以更有控制且可验证的方式引入。

混合模型试验提供了一种解决弗劳德缩放流体力学与雷诺数敏感空气动力学之间缩放冲突的方法。在该方法中，浮体、系泊系统、波浪环境和流体动力学响应在水池中物理表示，而气动载荷则通过数值计算获得并通过外部执行器施加到模型上。现有实现采用了不同的加载概念，包括基于风扇或螺旋桨的系统以及缆绳驱动系统[12,13,14]。这些研究表明，执行器驱动的混合试验可以使命令施加的气动激励更加可控且可重复，同时保持浮动支撑的水池尺度响应。更近期的发展进一步将气动载荷重现从单一推力加载扩展到多个载荷分量，包括推力、扭矩和弯矩，通过多执行器或多自由度加载装置实现[8,15,16]。实时混合方法还纳入了在线载荷计算、运动反馈以及计算和执行延迟的补偿[15,16]。然而，大多数这些实现是针对水平轴风力机开发的，其加载公式仍然主要围绕转子推力和机舱级力矩组织。因此，当气动输入需要同时包括推力和侧向力分量时，其直接适用于浮动垂直轴风力机的能力仍然有限，此外还包括这些分量明显的谐波内容和相对相位。

对于浮动垂直轴风力机而言，关键挑战不仅仅是重现更多的载荷分量，而是要重现垂直轴风力机特有的气动激励形式。与通常用于浮动水平轴风力机的以推力为主导的加载公式不同，垂直轴风力机的塔顶载荷本质上具有多方向性和强周期性。推力分量包含可观的平均载荷和循环波动，而侧向力分量是一种固有的方位角依赖载荷分量，具有近零平均、频繁变号和明显的谐波内容[17,18]。关于垂直轴潮汐涡轮的相关研究同样表明，推力和侧向力表现出不同的响应敏感性[19]。当这种激励被引入浮动系统时，推力和侧向力通道之间的相对时序也变得重要，因为它影响对上层结构局部振动、横荡和横摇相关响应以及系泊载荷重分配的解释。因此，面向浮动垂直轴风力机的混合试验不应仅施加气动载荷，还应提供已知且可重复的多方向输入基础，以便从后续浮动系统的动力响应中进行检验。

为满足这一垂直轴风力机特定的实验需求，本研究应用了具有预计算气动载荷的混合模型试验框架在水池中进行试验。数值生成的推力和侧向力历程通过固定底座试验进行标定，并在浮动模型上作为已知且可重复的多方向输入进行重放。与通常围绕推力和机舱级力矩配置的水平轴风力机导向加载系统相比，本研究中的六转子装置可以重现两种力分量及其快速、大幅度的变化，特别是在主导的3倍叶片频率谐波处，这需要螺旋桨转速和执行器输出相应快速变化。该装置还独立控制变号侧向力，同时保持两个通道之间的相对时序。这一面向垂直轴风力机的能力使得在可控且可重复的条件下，能够检验预计算气动载荷对浮动系统耦合响应的影响。它还允许在一致的实验框架内检验通过上层结构、平台和系泊系统的载荷传递。在SIMA中建立的耦合SIMO-RIFLEX模型[20]提供了在相同预计算气动载荷下的辅助比较。这些比较评估了在代表性仅风条件和风浪联合条件下主要平台响应频率和波动水平的重现情况。

本文其余部分组织如下。第2节介绍混合模型试验框架，其实验实现和方法论范围以及支持性的数值模型。第3节描述实验系统，包括参考浮动垂直轴风力机、上层结构替代体、半潜式模型、系泊系统、仪表和试验矩阵。第4节介绍物理模型的标定和动态表征，涵盖波浪标定、回复刚度、自由衰减、锤击和白噪声试验，以及用于检查数值模型全局特性的选定比较。第5节检验在选定混合试验条件下的动力响应，重点是塔顶力、上层结构加速度、平台运动和系泊张力，并包含代表性平台响应的辅助数值比较。第6节总结了主要发现和局限性。

章节片段

具有预计算气动载荷的混合模型试验框架（用于浮动垂直轴风力机）
第2节介绍了本研究使用的混合模型试验框架。本节首先描述整体框架，其中塔顶气动载荷通过数值模拟获得，通过固定底座载荷重现进行标定，然后施加到水池中的浮动模型上。随后总结了水池执行程序以及同步测量安排。接着引入了一个支持性的数值模型用于响应比较，之后是

实验系统设计及试验布置
本节描述用于浮动垂直轴风力机混合水池试验的实验系统和试验布置。本模型试验采用了1:50的缩放比例。参考浮动垂直轴风力机、上层结构替代体、半潜式船体、系泊系统、仪表和试验矩阵被介绍以定义后续标定和响应分析的物理基础。这些要素定义了标定试验和的模型构型及测量基础

标定与验证试验
本节验证了所施加激励的准确性并确定了物理系统的关键静态和动态特性。首先验证重现的气动载荷和生成的波浪场。然后通过水平回复刚度试验、自由衰减试验、锤击试验和白噪声试验来表征浮动构型。SIMA结果提供了数值参考，用于评估所测得的回复特性和自由衰减响应。

混合模型试验中的动态响应特性
第5节展示了在代表性载荷工况下从混合模型试验中获得的动力响应。基于预计算的多方向气动输入和已表征的物理模型，分析从塔顶力、塔顶加速度、平台运动和系泊张力方面检验浮动系统的响应。实验结果是分析的主要基础，辅以代表性平台响应的数值比较

结论
本研究开发并应用了一种具有预计算气动载荷的混合模型试验框架，用于研究浮动垂直轴风力机在水池中的动力响应。在所采用的框架中，塔顶气动载荷历程通过离线生成，通过固定底座载荷重现试验进行标定，然后在同步测量下重放到浮动物理模型上。该实现的一个核心特征是气动输入被

CRediT作者贡献声明
丁诗翔：撰写——原稿、可视化、调查、形式分析、数据整理。贾宇超：验证、软件、调查、数据整理。李长安：软件、调查、形式分析、数据整理。曹群：项目管理、资金获取。潘彦桥：方法学、调查。靳静哲：项目管理、资金获取。程正顺：撰写——审阅与编辑、监督、资源、方法学、资金获取。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢
作者感谢国家自然科学基金（批准号：42176210、42406229）、江苏省自然科学基金（批准号：BK20240302）以及大连海事大学海洋技术与安全国家重点实验室（批准号：SKLMTS-DMU-2025–06）的支持。

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