《Journal of Marine Science and Engineering》：Dynamic Response Analysis of IEA 15 MW FOWT Under Extreme Focused Wave–Wind Conditions Based on Multi-Region Coupled Method
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研究人员采用多区域耦合方法，基于自研MRFoam求解器在OpenFOAM框架内集成气动与水动力分析，考察IEA 15 MW半潜式浮式风力机（FOWT）在极端聚焦波条件下的运动响应与气动载荷变化。计算框架结合不可压黏性流模型与kOmegaSST湍流封闭，叶片采用
研究人员采用多区域耦合方法，基于自研MRFoam求解器在OpenFOAM框架内集成气动与水动力分析，考察IEA 15 MW半潜式浮式风力机（FOWT）在极端聚焦波条件下的运动响应与气动载荷变化。计算框架结合不可压黏性流模型与kOmegaSST湍流封闭，叶片采用致动线模型（ALM）表征；极端波况由NewWave理论生成，系统改变波高与风速以评估耦合效应。结果表明：平台垂荡主要受波浪激励控制，对风敏感弱；叶轮推力均值在不同波况下基本不变，但波动幅度依赖风速；系泊动力学与纵荡强相关，波致位移放大张力变化，但在均匀风下平均张力不随波高变化。
研究背景方面，国际可再生能源署数据显示截至2023年底全球海上风电装机达68258 MW，预计2035年前增长超五倍，行业向15 MW级以上、叶长130 m+、轮毂160 m+及深水区发展。深水极端波流非线性载荷显著，传统势流理论与Morison方程忽略黏性与高雷诺数湍流效应，物理试验受缩比与弗劳德相似下雷诺数失配限制，而全叶片解析CFD计算成本过高。现有致动线模型（ALM）虽平衡效率与精度，但全耦合网格需求仍带来沉重负担，故需一种兼顾精度与开销的耦合策略。
为开展研究，研究人员采用以下关键技术方法：在OpenFOAM v2012中调用自研MRFoam求解器，将计算域拆分为平台六自由度（6-DOF）区域与转子气动区域，时间步0.01 s、残差控制至1×10?8实现双向数据交换；流体用RANS方程配合kOmegaSST湍流模型，自由面用MULES界面压缩与体积分数α加权物性；转子用ALM沿展向49个致动点施体力并经高斯核光滑，叶片几何取自IEA 15 MW参考库；入射波用waves2Foam按线性NewWave理论（Pierson–Moskowitz谱）造波、出口吸收；系泊用MoorDyn集总质量法耦合并以Morison方程算拖曳；模型分别用IEA 15 MW转子推力、VolturnUS-S平台自由衰减频率与规则波RAO、聚焦波网格收敛独立验证。
研究结果部分，5.1节水动力响应显示：垂荡幅值随波高由3 m增至7.35 m时焦点位移从2.55 m升至6.79 m，但换风速几乎不变，证明垂荡由波压与静水恢复主导；纵荡与纵摇受波载与叶轮推力共同叠加，风速7 m/s提至10.59 m/s且波幅3 m时，平均纵荡由10.18 m增至18.22 m、纵摇由2.90°增至6.52°，说明风载经150 m高轮毂产生倾覆矩主导水平与转动自由度。5.2节气动响应指出：推力均值在波高变化时略降（7 m/s下由1114.07 kN降至1111.20 kN），但峰峰值随风速与波高显著放大，7.35 m波高下风速7→10.59 m/s时由245.60 kN增至634.11 kN；机理为纵荡速度直接改轴向来流、纵摇经轮毂偏心距引入附加平移速度，瞬时相对来流增减相抵使均值稳。5.3节系泊动力学表明：上浪侧系泊线#1张力包络随波高3→7.35 m在无风时由约2.85 MN增至3.14 MN，风速10.59 m/s时由5.24 MN增至5.97 MN；侧向线#2幅值变化较小且焦点时刻先降后振，张力与纵荡位移及悬链几何变化强相关，均匀风下平均张力对波高不敏感。
讨论与结论翻译：本研究基于OpenFOAM多区域耦合方法分析IEA 15 MW半潜FOWT在聚焦波下的动态响应。平台垂荡、纵荡、纵摇对波高敏感但程度各异；垂荡主受波控、受风影响微，纵荡与纵摇在风浪联合下显著耦合增强。叶轮推力波动随波高与风速加剧，但均值跨波况稳定，风速对波动幅值影响甚于波高。极端聚焦波与风联合下，平台纵荡主导系泊动态，波致振荡放大张力瞬变，均匀风中平均系泊张力对波高变化不敏感。该工作为15 MW级FOWT在深水极端海况下的气动-水动-系泊一体化设计提供了CFD级证据链，发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。
