不同网箱实体度比下一体化漂浮式海上风电 - 水产养殖结构的耦合动力响应

《Ocean Engineering》：Coupled dynamic responses of an integrated floating offshore wind-aquaculture structure with different cage solidity ratios

　　

•开发了一种内部转换模块，用于将实度比映射到达西 - 福希海默系数。
•实度比主导网箱载荷，抑制垂荡/纵摇，同时放大纵荡。
•实度比与海流的协同效应加剧了推力波动和系泊不对称性。
•较高的实度减弱了下游尾流并抑制卡门涡街的形成。

引言
海上风能和海洋养殖都在向更深水域发展。漂浮式海上风力涡轮机（FOWT）允许风能开发超出固定底基座的实用深度范围。然而，其大规模部署仍受限于高昂的资本和运营成本以及苛刻的近海环境条件（Wang 等，2022；Zhang 等，2023）。随着沿海空间变得有限以及近海生产面临的环境压力增加，养殖业也面临着类似的转变（Huang 等，2008；Kristiansen 和 Faltinsen，2015；Yi 等，2024）。将养殖网箱与 FOWT 集成可以通过共享平台、系泊系统、近海空间和电力基础设施来降低成本。这种布置还产生了一个动态问题，这是单独考虑这两个设施时不会出现的问题。平台运动改变网箱浸没情况和相对流入，而网箱阻力改变平台周围的载荷和流场。自由表面上方涡轮机产生的载荷传递到水下网箱，网箱水动力学反馈到平台和系泊响应中。因此，对集成结构的可靠评估必须考虑这些相互作用。

即使没有养殖网箱，FOWT 的响应也受限于转子空气动力学、平台运动和系泊载荷之间的强烈相互作用。计算流体力学（CFD）研究最初检查了各个组件，包括风力涡轮机转子和漂浮平台（Cai 等，2023；Chen 等，2021；Kyle 等，2020；Tran 和 Kim，2015；Zhong 等，2023）。随后开发了全耦合方法来解决这些组件之间的反馈。Ren 等（2014）将滑移网格 CFD 与平台动力学方程相结合，研究了风浪载荷下张紧腿平台 FOWT 的响应。后来基于重叠网格和 OpenFOAM 的模拟解析了塔影效应、叶片 - 塔架涡旋相互作用以及平台运动对空气动力学和系泊响应的影响（Tran 和 Kim，2015；2018；Liu 等，2017）。其他工作考虑了更真实的入流和运动条件。湍流和风切变影响转子推力、功率波动和尾流扩散，而波浪引起的纵荡和垂荡改变转子空气动力学（Zhou 等，2022；Hu 等，2026）。

许多这种耦合 CFD 工作依赖执行器线模型，因为解析旋转叶片的完整几何形状计算成本高昂。该模型通过转移到周围流场的展向空气动力来表示叶片（S?rensen 和 Shen，2002；Jha 和 Schmitz，2018；Arabgolarcheh 等，2022）。当与两相 CFD 结合时，它允许在同一计算中模拟转子、自由表面、漂浮平台和尾流。Cheng 等（2019）使用这种方法为 FOWT 开发了一个耦合的空气 - 水动力学求解器。Yu 等（2023）将耦合描述扩展为包括叶片弹性、平台水动力学、系泊动力学和尾流流动。该方法也已应用于聚焦波条件和多区域耦合策略（Haider 等，2025；Cai 等，2025a）。这些发展使得对独立 FOWT 的详细模拟在计算上更加可行。然而，大多数 FOWT 模型未包含大型多孔网箱产生的额外阻力和流动阻塞。

对养殖网箱进行建模提出了一套不同的数值要求。莫里森方程和基于屏幕的模型仍然很常见，因为它们的计算成本相对较低（Huang 等，2007, 2008；Shen 等，2018；Dong 等，2020）。这些模型经验性地表示净力，不直接解析网箱通过和周围的粘性流。它们对全局响应估计很有用，但未解析的流场限制了尾流恢复和与附近结构相互作用的分析。基于 CFD 的多孔介质模型使用等效阻力项来描述净区域。通过这种方式，保留了主要的阻塞和耗散效应，而无需解析单个网线（Patursson 等，2010；Hu 等，2023；Zhao 等，2024）。Zhao 等（2013）将这种方法应用于不同布局的重力式网箱内部和周围的流动。Bi 等（2017）检查了不同生物污损水平和入射波角度下网箱阵列中的波浪传播。因此，多孔介质 CFD 可以重现网箱引起的水动力载荷变化和本地流场变化。然而，大多数应用涉及孤立的网箱或规定的支撑条件，忽略了来自移动风力涡轮机平台的反馈。

将 FOWT 和养殖网箱带入单一耦合模型是比较近期的事情。Zhang 等（2022）使用 FAST 和 AQWA 评估了与钢网箱集成的 FOWT 在联合风浪条件下的表现。Li 等（2023）发现莫里森阻力可能会激发或阻尼低频响应。他们还确定了二阶波浪力是垂荡和纵摇放大的重要来源。Zhai 等（2024）检查了一个 10 MW 驳船式系统，并报告称网箱响应对海流载荷特别敏感。现有结果表明，网箱改变了集成结构内载荷的大小和分布。在我们之前的工作中，开发了 HybridMarineFoam 以实现 FOWT 与由达西 - 福希海默模型表示的网箱之间的双向 CFD 耦合（Cai 等，2025b）。计算证实网箱水动力学影响平台运动和周围流场。因此，以前的研究已经确立了 FOWT-网箱耦合的相关性，但大多数研究考虑了可行性、环境载荷敏感性或单一网箱配置。对网箱属性变化的后果了解较少。

在这些属性中，网线打包密度尤为相关，因为它在操作过程中可能会发生相当大的变化。这里用网线实度比来描述，定义为投影固体面积相对于总网板面积的比例。生物污损增加了投影网线面积，从而改变网箱阻力、水动力载荷、水交换和尾流发展。Moe-F?re 等（2016）利用水槽实验和基于莫里森的模型研究了强海流下高实度网箱的载荷。对与单桩风力涡轮机基础相关的网箱研究表明，实度比和网箱吃水影响网箱内部和后方波高和速度分布（Dong 等，2024；Guo 等，2026）。对于底撑式网箱，Ji 等（2025）发现网线分层、实度比和内 - 外网线布置影响速度减少和水交换性能。这些研究证实了实度比的水动力学重要性，但它们的支撑条件不同于漂浮集成系统。在 FOWT-网箱结构中，增加的网箱阻力可能改变纵荡、垂荡和纵摇。由此产生的运动改变网箱浸没和相对流入，在网箱和平台之间产生反馈。这个过程不能从静止网箱计算中推断，因为网箱运动学和本地入流随平台运动而变化。其对转子推力、系泊载荷和网线载荷的影响尚未得到系统解决。

在此，HybridMarineFoam 被扩展以检查网线实度比对集成 FOWT-养殖网箱系统的影响。一个自动转换模块将规定的实度比映射到相应的达西 - 福希海默阻力系数。在联合风、波和海流条件下进行了几种实度比的模拟，包括不同的海流速度。在同一耦合计算中评估了平台运动、转子推力、系泊载荷、水平和垂直网箱载荷。该比较将实度比的影响与海流速度变化的影响分离开来。它还显示了网箱阻力的变化如何通过平台运动、组件载荷和系泊载荷分布传播。

章节片段
耦合 FOWT-网箱计算模块
在本研究中，进行 CFD 模拟以调查集成 FOWT-养殖网箱系统的动态响应。不可压缩两相流使用雷诺平均纳维 - 斯托克斯（RANS）方程求解。采用 RANS 方法以在耦合模拟的可接受计算成本下捕捉平均流和不稳态载荷。使用流体体积法捕捉自由表面，湍流闭合由浮力修正的 k?ω 模型提供。

集成结构描述
在当前工作中，支撑 IEA 15 MW 参考风力涡轮机的 VolturnUS-S 半潜式平台被采纳为集成系统的主要结构组件。平台的详细几何和结构属性总结在图 2 和表 1 中。养殖网箱由围绕漂浮平台布置的四个网板组成，与平台结构结合形成封闭体积。如图 3(a) 所示，三个垂直网...

风力涡轮机转子推力的网格收敛性分析
对转子域中预测的空气动力推力进行了三级网格收敛性研究。中网格对应于第 3.2 节中描述并在图 8 中说明的网格。细网格通过将中网格的特征单元尺寸除以 1.25 生成，而粗网格通过将其乘以 1.25 获得。计算域、细化区域布置、边界条件和其他数值设置保持不变。这

集成结构的运动响应分析
Case #1-#9 的集成 FOWT-网箱结构的纵荡、垂荡和纵摇响应展示在图 13，图 14 中。海流速度主要影响平均纵荡位置，而网箱实度比具有次要影响。在没有海流的情况下，平均纵荡位移保持在 17.6 到 18.5 米之间。在 0.5 米/秒时适度增加到 18.9-19.5 米，但在 1.0 米/秒时达到 25.4-26.5 米。这种位移反映了增加的稳定海流载荷之间的新平衡

结论
HybridMarineFoam 中的耦合 FOWT-网箱模块通过自动程序进行了扩展，该程序将规定的网线实度比转换为相应的达西 - 福希海默系数。使用该框架，在联合风 - 波 - 流载荷下，在不同的海流速度和固定的网线实度比下检查了集成结构的动态响应。这些模拟的主要发现总结如下。

海流速度主要控制平均

CRediT 作者贡献声明
赵海生：写作 - 回顾与编辑，写作 - 原创草稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。蔡叶峰：可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理。施威：写作 - 回顾与编辑，监督，资源，方法论，概念化。肖青：写作 - 回顾与编辑，资源，方法论，概念化。李鑫：写作 -

竞争利益声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能出现在影响本论文报告的工作的情况中。

致谢
这项研究工作得到国家自然科学基金资助，项目编号 51939002。衷心感谢他们的资金支持。

赵海生 | 蔡叶峰 | 施威 | 肖青 | 李鑫