《Journal of Marine Science and Engineering》：A Coupled Aero-Hydro-Elastic-Mooring Simulation Framework for Floating Offshore Multi-Rotor Wind Turbines
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本文提出了WSMAQ (WEC-Sim-MoorDyn-AeroelasticQ)，这是一个面向浮式海上多叶轮风力发电机组 (floating offshore multi-rotor wind turbines) 的空气-水动力-弹性-系泊耦合仿真框架。该框
本文提出了WSMAQ (WEC-Sim-MoorDyn-AeroelasticQ)，这是一个面向浮式海上多叶轮风力发电机组 (floating offshore multi-rotor wind turbines) 的空气-水动力-弹性-系泊耦合仿真框架。该框架集成了用于平台水动力学 (platform hydrodynamics) 的WEC-Sim、用于系泊线动力学 (mooring-line dynamics) 的MoorDyn-C，以及用于叶轮级气动与叶片结构计算的内部气动弹性代码AeroelasticQ。这些模块在MATLAB/Simulink/Simscape 2023a内耦合。WSMAQ的创新之处在于三个面向耦合的方法学扩展。首先，针对深吃水Spar平台，WEC-Sim刚体使用真实重心 (center of gravity, CG) 处的物理质量与惯性进行配置，在辐射载荷 (radiation-load) 计算中保留了完整的未调整附加质量矩阵 (added-mass matrix)，并使用三块积分器滤波器打破附加质量-加速度的代数环 (algebraic loop)。其次，扩展了WEC-Sim的系泊类，以将非零初始平台方位传递给MoorDyn-C。第三，AeroelasticQ通过带有叶轮数量参数的Level-2 C++ MEX S-function与多体风力发电机模型集成。该框架通过在配备美国国家可再生能源实验室 (National Renewable Energy Laboratory, NREL) 5 MW参考风力发电机的OC3 spar上进行的气动弹性、平台-系泊以及全风力发电机测试，与OpenFAST进行了基准对比。在主要响应通道中，大多数情况下的平均相对误差 (mean relative error, MRE) 保持在2%以下。多叶轮能力通过安装在OC3 spar上的三个NREL WindPACT 1.5 MW风力发电机得到了验证。在该案例研究中，非对称叶轮停机条件产生了约4°的平均偏航偏移，这在对称载荷工况中没有出现。
近年来，为减少二氧化碳排放，全球海上风电装机容量迅速增长。随着风力发电机单机容量的不断提升，巨型转子和塔架带来了高昂的制造、运输和维保成本，且叶片的加长使得结构柔性增加，气动弹性稳定裕度降低，颤振等不稳定性问题日益突出。多叶轮风电机系统 (multi-rotor wind systems, MRSs) 采用多个小型转子安装在同一支撑结构上，能在输出同等功率的情况下降低结构质量并提高冗余度，被视为一种极具前景的替代方案。然而，当前的工程仿真工具大多针对单转子风机设计，高保真计算流体动力学 (computational fluid dynamics, CFD) 和流固耦合 (fluid–structure interaction, FSI) 模型计算成本过高，难以用于常规设计。虽然已有研究通过松耦合方式将专用代码集成，但这些框架在耦合接口、转子数量可扩展性上仍存在局限。因此，开发一个能在单一仿真环境中保持求解器模块化并提供显式转子数量参数化耦合接口的框架尤为迫切。在此背景下，研究人员提出了一种用于浮式海上多叶轮风力发电机的空气-水动力-弹性-系泊耦合仿真框架——WSMAQ，该成果发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。
为开展该研究，研究人员主要采用了以下几个关键技术方法：首先，通过内部高性能气动弹性求解器AeroelasticQ结合Kane方程计算叶片气动载荷与变形；其次，采用开源工具箱WEC-Sim基于Cummins时域公式计算浮式平台的水动力响应，并针对深吃水Spar平台修改刚体配置以使用真实物理质量与未调整的附加质量矩阵；第三，引入三块积分器滤波器切断代数环；第四，利用MoorDyn-C库计算系泊线动力学；最后，通过带有转子数量参数的Level-2 MEX C++ S-function在Simscape多体环境中集成各模块，实现数据交换。基准验证模型数据来源于美国国家可再生能源实验室 (NREL) 开发的5 MW参考风机及WindPACT 1.5 MW参考风机。
在平台与系泊水动力学验证部分，研究人员对安装了系泊线的OC3 spar平台进行了自由衰减试验、规则波试验和不规则波试验。与OpenFAST的对比表明，四个自由度 (degrees of freedom, DOFs) 的固有频率偏差在0.1%以内，阻尼比偏差在0.5%以内。规则波扫频分析显示两者在包括共振峰在内的全频段内吻合度极高。不规则波浪工况下，平台运动的标准差差异均小于1.5%，证明修改后的WEC-Sim配置正确复现了水静恢复力与阻尼特性。
在全浮式风机验证部分，针对NREL 5 MW参考风机开展了自由衰减、规则波联合均匀风以及不规则波联合均匀风试验。自由衰减结果表明，风机质量集成后系统固有频率与OpenFAST一致，系泊张力平均相对误差仅为0.01%。在停机和固定桨距转速工况下，WSMAQ准确捕捉了气动推力引起的纵荡偏移和纵摇倾斜，气动功率的平均相对误差为0.52%。此外，数值敏感性与耦合评估表明，所选滤波器增益和离散步长在叶轮激励频率 (1P/3P) 处引入的相位滞后极小。性能比较显示，WSMAQ虽比OpenFAST多用约29.5%的墙钟时间，但仍能以快于实时的速度运行。
在三转子浮式风机能力展示部分，研究人员将三个WindPACT 1.5 MW风机按三角形排列安装在OC3 spar上，设定了三种载荷工况 (load cases, LCs)：LC1为三机全开，LC2为侧机停机，LC3为顶机停机。结果显示，LC1中平台产生约19.5米的纵荡偏移与4度纵摇；LC2中不对称转子载荷导致平台产生约4.5度的平均偏航偏移和1米的横荡偏移；LC3因推力减小纵荡降至10米。频谱分析表明，机舱加速度和塔基力矩主要由波浪频率主导，而LC2的非对称性明显提升了横向响应水平。系泊张力方面，LC3使一号导缆孔张力增加约11%，而LC2的张力表现与LC1几乎一致。气动功率呈良好叠加性，验证了转子载荷聚合的准确性。
在结论部分，研究人员成功开发了WSMAQ耦合仿真框架，通过引入针对深吃水Spar的配置与滤波器、扩展系泊类并利用S-function进行系统集成，实现了多模块在统一环境下的协同工作。基准测试显示在大多数工况下平均相对误差低于2%，仅在小信号通道偶有较大误差。案例研究不仅验证了该框架能够将非对称气动载荷施加于共用的浮式支撑上并重现刚体平台响应，也为未来进一步研究多转子气动尾流相互作用、结构柔性、主动控制及非均匀输入流奠定了基础。
