配备受吞浪推进启发的刚性水翼的浮式海上风电机组的动态响应与数据驱动特征表征

《Ocean Engineering》：Dynamic response and data-driven characterization of floating offshore wind turbines with a wave-devouring-propulsion-inspired rigid hydrofoil

　　

•受波浪吞食推进（WDP）启发的刚性浸没式翼型应用于改变半潜式浮式海上风电平台（FOWT）动力学特性。•探索了浸没式翼型对运动响应和系泊载荷的影响。•采用SINDy从模拟数据中识别降阶表示。引言过去十年间，海上风电发展迅速，已成为全球可再生能源发电的主要贡献者（DeCastro等，2019；Chen等，2024）。浮式海上风电机组（FOWT）是海上风电开发的关键组成部分，能够更高效地利用丰富的深海风能资源。FOWT通常由驳船式、柱式、张力腿或半潜式平台支撑。在各种构型中，半潜式平台由于其跨度大、质心低，具有较大的回复力矩和对风浪载荷的强抗力，被广泛应用于浮式风电场。然而，其较大的尺寸使其容易受到明显的波频运动和二级慢漂响应的影响，导致整体动态响应显著增加（Butterfield等，2007；Edwards等，2023；Srinivasamurthy等，2021）。为提高半潜式平台的动态性能，现有措施可大致分为三类：平台设计优化、主动与被动控制技术和创新系泊系统（Huang等，2025）。设计导向的方法侧重于修改平台几何形状或附加结构以增强水动力阻尼。Jang等（2019）通过物理模型试验和数值模拟研究了升板对平台动力学的影响，结果表明没有升板会导致升沉和纵摇运动显著增加。Meng等（2025）研究了配备升板和低压载构型（SHLB）的新型15 MW半潜式FOWT在 freak 浪条件下的动态行为，并评估了运行期间不同风速和波浪入射角的影响。主动和被动控制策略引入额外的动态装置来调节平台响应。被动控制通过固有的机械或水动力学机制耗散能量，而主动控制则利用传感器和执行器产生自适应控制力。通过修改平台的动态特性，这些方法可以有效降低运动幅度和结构载荷。Coudurier等（2018）开发了一种结合调谐液柱多列阻尼器（TLMCD）的浮式结构，并证明其改善了对波浪入射的抵抗能力，同时大幅减少了寄生振荡。Hu等（2020）提出了一种WindFloat平台，集成了多个升沉式波浪能转换器（WEC）并连接到动力获取（PTO）系统，证明平台纵摇力矩显著降低。Aboutalebi等（2024）提出了一种结合振荡水柱（OWC）的浮式基础，通过增加系统阻尼来提高可持续性，从而抑制共振运动。Palraj和Rajamanickam（2021）评估了用于驳船式FOWT的陀螺稳定器，并证明其在规则波和不规则波条件下均能显著减少平台旋转。Wei等（2026）提出了一种自适应多级惯性阻尼器（MSID）用于风电机组振动控制，与常规惯性阻尼器相比实现了更好的适应性和能量耗散。Zhang等（2025）研究了调谐液柱阻尼器（TLCD）在海上风电机组中的应用，并证明优化的TLCD参数可以有效抑制停机状态和极端环境条件下的振动响应。创新系泊构型主要旨在缓解低频运动和系泊索载荷。Que等（2025）开发了一种新型主-副系泊概念，并证明完整系统在正常条件下能有效抑制纵向运动和系泊索张力。在上述研究中，主动控制策略通常需要较大的作用力且难以安装；被动方法在不同条件下的适用性有限，而高级系泊系统的成本随水深急剧增加（Stewart和Lackner，2014；Tsao等，2023）。增强平台动力学的结构修改已被证明是有效且广泛适用的，因此成为提高FOWT性能的主要策略。在这些方法中，波浪吞食推进（WDP）是一种仿生设计理念，通过集成翼型与周围流场的相互作用将波浪能转化为推力（Xing等，2025）。当集成到浮式平台中时，翼型运动与平台动力学的相互作用可将波浪动能转化为可控水动力，从而改变平台动态响应（Xing和Yang，2023）。WDP以被动方式运行，无需外部电源或复杂的反馈控制，可通过波浪-翼型-平台相互作用改变平台运动和系泊载荷分布，且运行维护要求相对较低。WDP的概念可追溯到20世纪50年代，当时Weinblum和Georg提出了评估翼型适航性的理论框架（Weinblum，1954）。在此基础上，Isshiki和Murakami对WDP机制进行了广泛的理论和实验研究，特别关注浅吃水条件下翼型在波浪中的运动（Isshiki和Murakami，1983）。Hao等（2017）通过引入小型辅助浮子调节翼型俯仰运动，进一步推动了波浪推进技术的发展，开发出了浮子调节波浪推进装置（FAWPD）。Xing等在自由漂浮和系泊条件下进行了1:100尺度的规则波和不规则波实验，并证明在特定条件下，集成翼型与无翼型构型相比可显著改变系泊索张力分布（Xing等，2025）。尽管现有研究表明WDP改变了平台运动响应并重新分配了系泊载荷，但其在实际运行条件下的性能在很大程度上仍未被探索。稀疏非线性动力学识别（SINDy）被用于直接从模拟数据中提取可解释的动力学模型（Sun等，2026）。SINDy框架能够从时间序列数据中获得非线性动力系统的稀疏且可解释的表示，已被广泛用于发现复杂流体系统中的控制方程。Wang等（2024）使用SINDy方法探索了低雷诺数和高攻角下俯仰机翼的复杂动力学。Wang等（2025）将谱本征正交分解与SINDy算法相结合，以高精度和可解释性构建了预测尾流动力学的降阶模型。本研究采用高保真数值模拟，研究受WDP启发的刚性浸没式翼型在风-浪耦合条件下对半潜式FOWT动态响应的影响。考虑了美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的两个代表性基准平台，即DeepCwind和VolturnUS-S系统。开发了一个耦合数值框架，以模拟代表性环境条件下的平台动力学。为进一步检验与浸没式翼型相关的纵漂响应特性，采用SINDy从模拟数据构建稀疏降阶模型。所得到的模型提供了在研究条件下主导纵漂动力学的可解释表示。本文其余部分组织如下。第2节介绍了FOWT的几何建模框架，包括平台构型和浸没式翼型的集成。第3节描述了本研究采用的数值方法和模型，特别强调了执行器线模型、波浪模型、系泊系统公式，以及代表性环境条件下的边界条件和网格划分。第4节系统地研究了受WDP启发的刚性浸没式翼型对浮式平台动态稳定性的影响，涵盖时域运动响应分析、系泊索力特性和流场演化。最后，第5节得出主要结论。章节片段FOWT的多物理场模型FOWT通常使用耦合多物理场模型进行分析，平台被视为具有六个自由度的刚体，如图1所示。平台运动通过改变作用在转子上的来流条件影响气动载荷，而水动力和系泊效应共同决定系统的整体响应（Huang等，2025）。耦合框架捕捉了决定FOWT动态行为的关键相互作用。受WDP启发的刚性浸没式翼型参数化建模WDP是通过……实现执行器线模型本研究采用基于执行器线模型（ALM）的高保真气动模拟，该模型最初由S?rensen和Shen提出（Frontera Pericàs，2022）。ALM能够实现对风电机组叶片气动载荷的全三维瞬态表示。旋转叶片被建模为对周围流场施加分布体积力的虚拟线。这种方法无需解析叶片表面边界层或使用动态网格……验证数值模型该耦合框架通过显著波高为10.5米、波浪周期范围为6–26秒的带状白噪声波激励下的升沉响应进行验证（Robertson等，2017）。升沉响应的实验和模拟数据如图7所示。如图7所示，数值结果与实验数据吻合良好，决定系数（R2）为0.98，确认耦合框架能够重现关键的动力行为……结论本研究采用高保真数值模拟，以DeepCwind和VolturnUS-S平台为代表构型，研究浸没式翼型对半潜式FOWT水动力学特性的影响。将耦合数值框架与数据驱动系统辨识相结合，对浸没式翼型的影响进行定量评估。主要结论总结如下：（1）浸没式翼型对平台运动的影响强烈……CRediT作者贡献声明Yanqing Yin：撰写-审稿与编辑，软件，正式分析。Yu Zhang：正式分析，概念化。Zhiwei Wu：验证，软件，方法论。Chenhui Zheng：概念化。Xianbo Wang：资源，正式分析，概念化。Zhen Guo：撰写-审稿与编辑。Zishuai Wang：资源，正式分析。Jie Yang：撰写-审稿与编辑，项目管理。数据可用性声明数据将应要求提供。利益冲突声明作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能会影响本文所报道的工作。致谢本研究得到了海南省教育厅和三亚崖州湾科技城管理局的博士研究与创新基金（联合项目）（Hyb2025-201）支持；海南省科技专项基金（GHYF2026042）；国家自然科学基金（项目编号52467024）；海南省三亚崖州湾科技创新联合项目（项目编号ZDYF2025GXJS142）；自然科学基金……Yanqing Yin|Yu Zhang|Zhiwei Wu|Chenhui Zheng|Xianbo Wang|Zhen Guo|Zishuai Wang|Jie Yang