台风黑羽完全过境期间 5 MW OC4 漂浮式风电机组耦合动力学与系泊安全的阶段关联评估

《Ocean Engineering》：Stage-linked assessment of coupled dynamics and mooring safety of 5 MW OC4 FOWT during full passage of Typhoon Hagupit

　　

•阶段关联框架能够保留平台构型和系泊恢复状态
•阶段关联将响应误差控制在1.63%，而不传递状态时为36.52%
•没有任何峰值台风工况能够同时捕捉响应包络和峰值系泊需求
•180°风向反转会在各系泊线之间重新分配张力
•尽管台风眼附近风力微弱，低频纵荡仍然持续活跃

引言

随着海上风电开发向更深水域扩展，固定式支撑结构在约60米水深以上的区域变得越来越不具备经济吸引力，而漂浮式海上风电机组（FOWT）则作为一种可行的替代方案应运而生（Butterfield等人，2007；Liu等人，2016）。在南海和北太平洋西部等台风频发的海域，设计条件尤为苛刻。这些区域的台风过境可能伴随轮毂高度风速超过50 m/s、有义波高超过8 m、数小时内风向偏转接近180°以及持续变化的风浪错配（Chen等人，2016；Xu等人，2024）。对于半潜式FOWT而言，环境载荷的快速时变特性会引起平台运动、结构载荷和系泊响应之间的强耦合。在台风眼直接过境期间，风速、风向和湍流特征会发生急剧变化，而相应的波浪场则在不同的时间尺度上响应。由此产生的非平稳且可能存在错配的载荷无法通过理想化的平稳海况完全表征，这对FOWT的动力完整性与定位安全构成了特殊挑战。

南海台风风场具有显著的空间、垂直和时变特征。基于测量的研究表明，外螺旋带、眼壁和台风眼区域之间的湍流谱存在差异，表明传统的Kaimal谱无法完全表征一次完整台风过境过程中所遇到的区域依赖性湍流特征（Li等人，2012）。Fang等人（2018）开发的三维台风边界层模型表征了平均风场的径向和垂直变化，而Lin和Chavas（2012）提出的平流修正则考虑了台风平流引起的风场不对称性。区域评估还考察了ERA5风浪再分析数据在南海的适用性（Zhai等人，2023）。这些研究表明，平均风场和湍流特征应根据站点相对于台风中心的径向位置以及相应的台风区域进行表征。

波浪场的演化时间尺度与局地台风风场不同。南海的观测和模型研究表明，在台风过境期间存在高能量、窄带台风波谱，且有义波高、峰值谱周期和平均波向均存在显著变化（Shi等人，2017；Xu等人，2017）。在台风眼直接过境期间，风向可能快速变化，而相应的波浪场响应更为渐进，并保留了先前风况的影响。由此产生的风浪错配会显著改变平台运动和结构载荷，尤其是在台风眼附近风向快速变化的阶段（Yang等人，2025；Lv等人，2026）。近期的联合灾害和阶段解析研究进一步表明，极端的平台运动和结构或系泊载荷不一定与峰值风速或最严重的波浪条件同时发生（Song等人，2024；Song等人，2025；Xu等人，2024）。

基础性研究建立了在极端环境条件下评估FOWT响应所需的耦合模型框架。Butterfield等人（2007）指出了漂浮式风电技术面临的主要工程挑战，而Liu等人（2016）综述了半潜式支撑结构的研究进展，并强调了平台运动、结构载荷和系泊响应之间的相互作用。Jonkman（2007）开发了FOWT的全耦合气水伺服弹性模型。随后Coulling等人（2013）和Hall和Goupee（2015）将数值预测与DeepCwind试验数据进行对比，增强了对全耦合仿真工具能够复现半潜式FOWT运动响应和系泊载荷的信心。总体而言，这些贡献为分析台风条件下FOWT响应提供了方法论基础。然而，这些研究并未涉及完整台风过境过程中非平稳载荷和演化的耦合响应问题。

早期针对台风条件下风电机组性能的研究考察了基于相关规范规定的极限载荷工况进行的设计是否能够承受相应载荷。结构研究揭示了台风条件下产生的失效机制（Chen等人，2016），而停机状态的机组分析表明，降低的气动阻尼可能引发不利的气弹行为（Men等人，2024）。对于漂浮系统，平台动力学与定位行为之间的耦合引发了额外的安全问题。全耦合仿真进一步揭示，在台风过境期间，平台运动、结构载荷和系泊响应存在显著的阶段依赖性变化。此外，可用的安全裕度在很大程度上取决于系泊布置及其恢复特性（Cheng等人，2019；Li等人，2021；Zhang等人，2021a；Zhang等人，2021b）。这些发现将研究重点从基于单一环境条件的评估转向确定台风过境的哪些阶段主导特定的响应极值。Xu等人（2024）针对台风哈古辟研究了这种阶段依赖性，而后续研究报告了不同风电机型和台风事件中传动链载荷、振动控制性能、偏航误差敏感性和停机响应等方面可比的阶段依赖性变化（Yang等人，2024；Ren等人，2025；Liu等人，2025；Yang等人，2026；Wang等人，2026）。研究还扩展到了确定性响应预测之外。风浪联合灾害模型、纳入相关失效模式的可靠性分析以及考虑腐蚀-疲劳退化的脆弱性评估已被开发，用于量化环境需求和结构抵抗力的不确定性（Song等人，2024；Song等人，2025；Yuan等人，2026）。渐进式系泊失效、平台优化和替代式浮体概念的研究进一步表明，不同阶段的关键响应取决于浮体设计和系泊布置（Zhang等人，2024；He等人，2025；Hua等人，2025；Xie等人，2025）。在风电场尺度上，定位要求还影响机组间距和整体系泊占位面积（Ma等人，2025）。综合来看，这一系列研究表明，台风期间的载荷需求不仅取决于峰值台风强度，还取决于过境阶段、所关注的响应量以及漂浮平台和系泊系统的特性。

模拟台风条件下FOWT响应的一项核心挑战在于一致地捕捉前眼壁、台风眼和后眼壁阶段之间的耦合系统行为。现有的阶段解析仿真通常将每个阶段内的条件作为独立初始化的载荷工况处理。尽管这种方法可以确定哪个阶段主导特定的响应极值，但它不会将前一阶段的平台平均位置和姿态以及相应的系泊恢复状态传递到后续阶段。这种状态连续性的丧失在台风眼直接过境期间尤为关键，因为此时风向能够发生快速变化，而相应的波浪场响应则更为渐进。定向效应研究表明，台风眼过境或风向快速变化引起的风浪错配会显著改变平台运动和结构载荷（Yang等人，2025；Lv等人，2026）。Ma等人（2026）采用非平稳台风载荷预测了相继的接近、峰值和衰减阶段的系泊张力。然而，该研究侧重于张力预测，而非平台运动、结构荷载效应以及各系泊线之间荷载分配之间的耦合演化。环境入流建模也构成了进一步的局限性。Kaimal谱在工程设计中被广泛采用（Kaimal等人，1972；国际电工委员会，2025），但其原始公式并未明确考虑外螺旋带、眼壁和台风眼区域之间湍流特征的差异。因此，在台风眼直接过境过程中，阶段依赖的台风入流如何与前序阶段建立的平台构型和系泊恢复状态相互作用，从而主导平台运动、结构需求和各系泊线之间荷载分配的演化，仍不清楚。

为克服这些局限性，本研究对NREL 5 MW参考风电机与OC4 DeepCwind半潜式平台支撑的FOWT在台风哈古辟（2008年）完整过境过程中的耦合响应特征和系泊安全性进行了表征。该分析重点关注阶段历史如何塑造耦合响应包络，特别是台风眼过境期间风向反转时平台平衡位置的变化以及系泊线之间荷载的重新分配，以及台风眼内近乎平静条件下低频运动的持续存在。风载荷采用三维（3D）台风边界层模型生成，该模型纳入了Lin-Chavas平流修正。不同台风区域（包括眼壁和台风眼）之间的湍流变化通过基于测量的谱进行表征，波浪条件则采用ERA5再分析数据。台风过境由九个载荷工况表征，其中五个构成从前眼壁峰值到后眼壁峰值的连续序列。不同于传统的阶段解析分析方法（其中每个载荷工况均独立初始化），所提出的阶段关联分段准稳态框架将这五个工况中每个工况的平均六自由度（6DOF）平台构型传递到下一个工况。该技术保留了演化的平均偏移、姿态和相应的系泊恢复状态，同时保持了计算可行性。通过将相继阶段关联，该框架解决了台风眼过境期间平台及其系泊系统的重构问题，并分别确定了主导平台运动、塔筒载荷和各系泊线安全系数的关键阶段。最后，该分析检验了最大风速条件或标称峰值台风阶段是否能够代表完整的耦合响应包络。本文其余部分组织如下：第2节详细说明了环境建模方法和全耦合仿真框架。第3节呈现了半潜式FOWT的构型及数值模型的验证。第4节阐明了全局响应、其在时域和频域的特征以及非线性行为连同系泊系统的安全系数。最后，第5节总结了主要发现，讨论了本研究的局限性，并概述了未来的研究方向。

小节摘要

环境建模

台风风场具有强烈的非平稳性和空间不对称性。在台风眼过境期间，观测到风速急剧下降、风向反转以及区域依赖的湍流特征变化。这些特征无法通过常用的工程设计风模型充分捕捉。因此，在本研究中，将三维解析台风边界层风场与分区湍流谱相结合……

FOWT构型、模型验证与数值敏感性

该耦合框架应用于5 MW OC4 FOWT，该机型被广泛用作全耦合分析的基准（Jonkman等人，2009；Robertson等人，2014）。该风电机转子直径为126 m，轮毂高度为90 m。半潜式平台吃水深度为20 m，排水量为13,473 t。在h=200 m的水深条件下，由三条对称布置的悬链线系泊线提供定位，角间距为120°。每条线的不拉伸长度为835……

全局响应概述

九个代表性载荷工况下全局运动和关键荷载效应的分布如图9和图10所示。LC7产生了最大的18.6 m纵荡位移和5.15°的最大绝对纵摇角，而LC8主导了99,818 kN?m的最大塔筒根部弯矩。十个监测响应量的极值出现在六个载荷工况中。对于经历台风哈古辟模拟过境的5 MW OC4 FOWT而言，仅关注峰值风……

结论

本研究开发了一种阶段关联分段准稳态框架，用于评估台风哈古辟直接过境过程中5 MW OC4漂浮式海上风电机组的耦合响应和系泊安全性。

与独立初始化的分阶段解析模拟不同，该方法将平均六自由度（6DOF）平台构型及相应的系泊恢复力状态通过台风眼通过的五个连续子阶段进行传递，保持了状态的连续性。CRediT作者贡献声明：Xiaoshuang Wang：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，可视化，验证，软件，方法论，调查研究，形式化分析。Enhao Wang：撰写–审阅与编辑，撰写–初稿，监督指导，资源支持，项目管理，调查研究，资金支持，形式化分析，数据管理，构思。Qing Xiao：撰写–审阅与编辑。Atilla Incecik：撰写–审阅与编辑。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，这些利益或关系可能会影响本论文所报道的工作。致谢：本研究得到了中国国家重点研发计划[项目编号2024YFC3013200]、国家自然科学基金[项目编号52271282]、广东省基础与应用基础研究基金[项目编号2024A1515240018]、深圳市科技计划项目[项目编号RCYX20231211090210018]以及清华大学深圳国际研究生院海外研究合作基金[项目编号HW2024006]的支持。本文谨献给Xiaoshuang Wang|Enhao Wang|Qing Xiao|Atilla Incecik的纪念。