《Applied Ocean Research》：Comparative analysis of numerical methods for predicting aerodynamic performance of floating offshore wind turbines in tilted conditions
编辑推荐：
本研究评估了倾斜条件下浮式海上风力机（FOWT）的气动性能，采用四种数值方法：计算流体动力学（CFD）、致动线法（ALM）、叶素动量法（BEM）和自由涡尾迹法（FVW）。目的是评估这些方法在预测倾斜以及一系列纵荡（surge）和俯仰（pitch）运动下的推力（
本研究评估了倾斜条件下浮式海上风力机（FOWT）的气动性能，采用四种数值方法：计算流体动力学（CFD）、致动线法（ALM）、叶素动量法（BEM）和自由涡尾迹法（FVW）。目的是评估这些方法在预测倾斜以及一系列纵荡（surge）和俯仰（pitch）运动下的推力（thrust）、扭矩（torque）和尾流特性方面的准确性和效率。通过网格和时间步长敏感性分析系统验证了CFD模拟，并将所有数值结果与实验数据进行了比较以进行验证。结果表明，BEM倾向于高估气动载荷，尤其是在俯仰运动下的扭矩波动。FVW改善了平均推力和扭矩预测，但仍高估了扭矩波动。ALM对倾斜角度敏感，导致在较大倾斜时精度下降。所有方法的气动载荷均表现出对运动幅度和频率的线性依赖性。CFD和ALM产生相似的尾流亏损趋势，尽管ALM始终低估了亏损。这项比较研究量化了不同数值方法在动态和倾斜条件下对FOWT的预测性能，突出了它们的优势和局限性。研究结果为根据准确性和计算成本之间的期望平衡选择适当的建模方法提供了指导。
**倾斜条件下浮式海上风力机气动性能数值方法比较分析解读**
**研究背景与意义**
浮式海上风力机（FOWT）是开发深海风能资源的关键技术，但其在开放海域中常受到风、浪、流的联合作用，导致平台产生显著俯仰运动，使风轮倾斜达数度甚至超过20°。这种倾斜改变了有效入流，引起非对称叶片载荷和尾流演化，影响气动性能和下游机组运行。现有研究多采用叶素动量（BEM）法和计算流体动力学（CFD）法，但BEM在动态条件下简化过度，CFD计算成本高昂。致动线（ALM）法和自由涡尾迹（FVW）法作为中间精度方法，其在大倾斜和动态运动下的系统评估尚不充分。为此，本研究系统比较了四种数值方法在预测倾斜和纵荡（surge）、俯仰（pitch）运动下FOWT气动性能的表现，旨在为方法选择提供依据，研究成果发表于《Applied Ocean Research》。
**主要技术方法**
研究人员以DTU 10 MW FOWT为对象，采用1/75缩比模型，在米兰理工大学（Politecnico di Milano）风洞进行实验，获取推力、扭矩和尾流数据作为验证基准。数值模拟中，CFD和ALM基于OpenFOAM v2012，采用k-ω SST湍流模型和重叠网格技术；BEM和FVW基于OpenFAST v3.5.0，其中AeroDyn模块实施BEM，OLAF模块实施FVW。CFD全解析叶片，ALM以致动线代替叶片并应用Leishman–Beddoes动态失速模型，BEM采用Pitt–Peters动态入流和Glauert叶尖/叶根修正，FVW采用四阶Runge–Kutta积分和面板离散尾流。研究设置了0°和15°两种倾斜角，纵荡和俯仰运动各采用两种振幅（代表典型和极端工况）和两种频率（对应共振和波浪谱峰值），总计涵盖多个工况。
**研究结果**
**5.1 测试矩阵**：系统设计了包含倾斜角、运动类型、振幅和频率的测试矩阵，以全面评估不同工况下的气动响应。
**5.2 叶片展向载荷分布**：通过对比四种方法计算的展向力分布发现，在0°倾斜时各方法在30%–60%展长处吻合较好，但BEM和FVW在叶根和叶尖高估载荷；15°倾斜时BEM和FVW在叶尖高估达20%，ALM与CFD更接近。
**5.3 纵荡运动下的性能**
- **5.3.1 振幅影响**：所有方法预测的推力、扭矩波动与振幅呈近似线性关系。BEM高估扭矩波动，高振幅时误差达23.7%；FVW将波动误差降至12.7%；ALM对推力波动低估约8%，但对扭矩预测更准。
- **5.3.2 频率影响**：波动与频率呈线性关系。BEM高估扭矩波动约20%–22%，FVW误差约11%–12%，ALM误差约5%–9%。
- **5.3.3 倾斜影响**：在15°倾斜下，BEM和FVW的载荷波动偏差变化不大，但ALM显著低估推力波动（-19.5%）和扭矩（-5.1%转为负偏），表明ALM对倾斜敏感。
- **5.3.4 尾流特性**：CFD和ALM均显示倾斜使尾流中心上移、远场亏损减小；ALM始终低估尾流亏损，但趋势与CFD一致。
**5.4 俯仰运动下的性能**
- **5.4.1 振幅影响**：各方法波动与振幅线性相关。BEM高估扭矩波动达36%–42%，FVW仍高估25%–32%，ALM高估约5%–12%。
- **5.4.2 频率影响**：类似线性关系。BEM高估扭矩波动34%–37%，FVW约26%，ALM约12%–16%。
- **5.4.3 倾斜影响**：15°倾斜下，BEM和FVW的波动偏差略降，ALM再次出现显著低估（推力-15.1%，扭矩-2.2%转为负偏）。
- **5.4.4 尾流特性**：与纵荡类似，倾斜使尾流偏转、远场亏损减小，ALM低估亏损。
**5.5 建模方法比较**：系统总结了四种方法的优缺点。CFD精度最高但成本极高；ALM兼顾精度与效率，但倾斜时需谨慎；FVW较BEM有所改善，但扭矩预测仍不足；BEM效率最高，但动态扭矩误差大，不适合大倾斜。
**总结与讨论**
研究人员在讨论中指出，各方法的气动载荷均对运动幅度和频率呈线性依赖，但BEM和FVW在动态俯仰下扭矩高估超30%，ALM在倾斜时精度显著下降。这些差异部分源于湍流建模策略：CFD和ALM显式模拟湍流，而BEM和FVW依赖降阶表示。研究结论如下：本研究系统评估了倾斜和动态运动下四种数值方法对FOWT气动性能的预测能力。纵荡和俯仰运动频率设为6.28 rad/s和25.12 rad/s，分别对应俯仰共振和典型波浪谱峰值。在纵荡下，所有方法呈近似线性响应，但BEM高估推力扭矩，扭矩波动超CFD预测20%以上；FVW将此差异降至约10%；ALM在平均推力和扭矩上与CFD吻合良好，但低估推力波动，且在大倾斜时精度恶化。俯仰下差异更显著：BEM高估扭矩波动超30%，FVW改进有限，ALM高估扭矩波动超10%且随倾斜增大误差增加。尾流分析显示ALM系统低估速度亏损。总之，BEM和FVW适用于固定式风机，但对动态FOWT可靠性有限；ALM在小倾斜和中度运动时合理，但需进一步改进以维持大倾斜精度。若计算效率优先（如初步设计），可容忍20%–30%扭矩误差时选用BEM或FVW；若需高精度，需采用ALM或CFD。未来应改进BEM的非定常修正、FVW的尾流建模和ALM的大倾斜精度。研究局限性在于仅分析单周期响应，未考虑长期统计，且未包含耦合运动。
