海上漂浮式光伏浮体的倾斜抑制与减阻优化

《Ocean Engineering》：Optimization of tilt suppression and drag reduction for offshore floating photovoltaic floaters

　　

• 剖面修饰和底部凹槽可减小阻力和纵向倾斜。• 优化后的几何结构可调节涡结构并减弱向下的吸力。• 前馈神经网络（FNN）框架实现了阻力和倾斜减小的多参数优化。

**引言**

太阳能因其清洁、经济且可扩展的特性，一直被视为全球可再生能源发展的重要方向。在各种太阳能技术中，光伏（PV）技术近年来发展迅速。国际能源署预测，到2050年太阳能将成为全球主要能源（Huang et al., 2025）。在全球净零排放目标的推动下，陆基光伏系统已取得重大进展。然而，受土地稀缺以及与农业、生态系统和水资源冲突的制约，其进一步部署日益受限。漂浮式光伏（FPV）系统提供了一种节约用地的解决方案，可减少对土地的占用冲突。因此，需要进一步开展研究与开发，以释放其在支持能源转型方面的潜力（Heinrichs et al., 2021; Shanka Vasuki et al., 2025）。FPV系统可广泛部署于水库等内陆水体，因此正成为清洁能源开发的新兴途径。

FPV系统的部署可提高光伏组件的发电效率，减少水分蒸发，并与传统水电形成互补协同效应（Du et al., 2024）。然而，与陆基光伏系统和内陆水域FPV系统不同，海上漂浮式光伏（OFPV）系统在长期运行过程中暴露于恶劣的海洋环境中。风、浪、流和潮汐等动态载荷的耦合效应，加上极端天气事件和生物附着，会对系统施加较高的机械应力。这些效应可能威胁结构耐久性并降低长期发电效益（Bugeja et al., 2025）。同时，强环境载荷可降低浮体本身的水动力稳定性，使浮动结构易于产生纵向倾斜（Vo et al., 2021）。过大的倾斜角可能导致海水侵入含有关键结构和电气部件的区域。这会加速腐蚀，降低绝缘性能，影响光伏组件的受光效率和系统的运行可靠性（Nedelcu et al., 2026）。图1展示了海上光伏系统在复杂服役环境下所面临的典型风险。

为提高光伏系统在海上环境下的安全运维能力，相关研究已陆续开展。现有研究表明，浮体的纵向姿态与施加在结构上的水动力载荷分布密切相关。水动力阻力主要由摩擦阻力和压差阻力组成，而周围流场也可改变压力分布和尾流涡结构，从而影响浮体的力和力矩平衡。因此，通过针对性的流场调控来降低水动力阻力并改善尾流特性，已成为提升浮动结构整体水动力性能的重要途径。

**剖面修饰可通过优化浮体外轮廓来延迟边界层分离并减小压差阻力。** OFPV浮体通常具有典型的方形钝体特征。其锐利边缘会导致迎风面上游发生流动分离，从而诱发回流涡区域并产生压差阻力（Kumahor et al., 2026）。Rocchio等人通过数值模拟系统研究了5:1矩形圆柱体尖角圆弧修饰，阐明了圆角半径对近壁流场和压力分布的影响。其结果表明，圆弧修饰可通过延迟边界层分离来改善流动附着，降低整体阻力系数（Rocchio et al., 2020）。在矩形圆柱体的形状优化中，Zhou等人（2024）指出，圆弧过渡可使边界层分离点后移并减弱分离涡。对不同圆角半径的半浸没矩形柱的数值模拟表明，圆弧修饰可减小底部涡扰动和平均阻力系数。这一机制也已被应用于浸没式漂浮隧道管体的剖面优化。Zhou等人（2023）利用离散伴随方法对管体截面进行了优化，结果表明圆弧剖面使负压区的压力振幅降低了30%以上，并抑制了涡强度，从而同时降低了阻力和疲劳载荷。尽管这些研究涉及不同类型的结构，包括矩形圆柱体、半浸没矩形柱和浸没式漂浮隧道，但它们均聚焦于典型的钝体流问题。此前的研究主要考察了圆弧剖面修饰对常规钝体结构中流动分离、压差阻力和涡脱落的影響。然而，相较之下，剖面引起的流动和压力再分配如何影响水动力纵倾力矩，以及进而影响浅吃水浮动体的纵向倾斜，关注程度则相对较少。本研究将此方法拓展至浅吃水OFPV浮体，并考察其对纵向倾斜响应的影响。

**底部凹槽结构可通过调控近壁湍流结构和涡演化来降低摩擦阻力并改善尾流特性。** F. Yan等人（2024）通过数值模拟和实验研究了非对称凹槽结构对圆柱体周围流动特性的影响。他们发现，非对称凹槽结构可延迟边界层分离点和尾流涡脱落位置。凹槽内部的小尺度涡还会干扰大尺度尾流涡，从而减弱尾流涡强度和涡脱落。Hu等人（2020）针对带端部间隙的水翼提出了弯曲收缩凹槽，发现该凹槽构型可显著修改局部泄漏流和涡结构。优选构型使Q准则涡等值面面积减少了约5.14%，升阻比提高了17.02%。从微观湍流机制的角度出发，Li等人（2024）利用大涡模拟（LES）研究了不同突出高度的riblet表面上方的湍流涡结构。其结果表明，突出高度影响流向涡以及雷诺应力和粘性应力的分布，从而影响着阻减性能。Huang等人（2026）利用经验证的数值模型和正交设计研究了NACA0009水翼端壁缝隙对尖部泄漏涡和宽带噪声的控制。较深且具有较小半径的缝隙促进了泄漏射流的扩散并减弱了涡核，使升阻比提高了约9%，峰值声源级降低。该研究为凹槽型被动流控结构的多参数优化提供了有益见解。此外，局部附加结构可通过增强特定流动分离来提供运动阻尼，从而抑制浮动体的非线性响应。Suzuki等人（2021）通过波浪水槽试验、CFD模拟和势流理论研究了一种带底部法兰的浅吃水圆柱形驳船型浮体的非线性运动特性。他们发现，当法兰跨越自由面时，发生了明显的流动分离和涡脱落，这改变了压力分布并增强了浮体升沉和纵摇运动中的非线性粘性阻尼。该研究进一步表明，局部结构特征可影响自由面附近的流动分离和压力分布，从而对浮动体的非线性水动力特性产生重要影响。关于凹槽型被动流控的研究已涵盖摩擦阻力降低、局部湍流调控、涡致振动抑制和泄漏涡控制。综合来看，这些研究表明凹槽型被动流控的水动力效应与局部流场和涡结构的调控密切相关，并且强烈依赖于具体的凹槽构型。然而，相较之下，底部凹槽引起的流动调控如何影响浅吃水浮动体的水动力纵倾力矩和纵向倾斜，则关注程度相对较少。考虑到浅吃水浮体底部的三维分离流，本研究选取半球形凹槽作为代表性光滑腔体结构，考察其对底部涡组织、压力分布和纵向水动力力矩的影响。

对于浮体几何形状与水动力响应（如水动力阻力和纵向倾斜）之间的高度非线性映射，传统CFD方法受限于计算成本高和优化周期长。在此背景下，基于人工神经网络的替代模型为复杂水动力问题的全局优化提供了一种新方法。例如，Kashefi（2025）开发了一种基于深度学习的流场预测框架，适用于圆形和矩形等不同截面形状的钝体。该框架能够在不规则几何域中快速准确地预测速度和压力场，相比传统数值模拟提高了计算效率。对于复杂海洋环境中浮动体的非线性运动，Chen等人（2024）开发了一种结合卷积神经网络和门控循环单元的深度学习模型，实现了对动态响应（包括海上浮动结构纵向倾斜）的高效准确预测。对于流场和结构参数的全局优化，Wen等人（2025）构建了替代模型以预测海上浮动结构的动态响应，并将该模型与遗传算法结合，在大设计空间内进行全局优化。该方法在保持浮体姿态稳定性的同时降低了传统模拟的计算成本。此类数据驱动的预测和优化方法有助于克服传统基于物理模拟的效率局限，也为浮动结构的精细化流场调控和整体性能提升提供了可行路径。基于神经网络的替代模型已应用于水动力响应预测和结构优化。然而，利用神经网络替代模型联合表征和优化与OFPV浮体纵向倾斜调控相关的多个被动流控参数，关注程度则相对有限。本研究采用FNN来表征剖面修饰和凹槽参数对纵向倾斜角的耦合效应，并支持其联合优化。

对于浅吃水OFPV浮体，流动分离、涡组织、压力再分配、水动力力矩和纵向倾斜之间的关系研究相对较少。此外，多流控参数的耦合效应使得通过逐参数分析来识别合适的结构构型变得复杂。在此基础上，本研究针对浅吃水OFPV浮体研究了上下游锐角圆弧修饰和底部半球形凹槽，考察其对阻力组成、压力分布、流场结构、水动力力矩和纵向倾斜的影响，以阐明局部流场调控如何影响浮体的纵向响应。此外，本研究采用基于FNN的替代模型结合全局优化算法，以表征几何参数的非线性效应，并识别与纵向倾斜减小相关的参数组合。因此，本研究在浅吃水OFPV浮体纵向倾斜抑制的统一框架内，将被动流场调控、水动力力矩再分配和多参数优化整合在一起。

**章节摘要**

**控制方程**

在海上漂浮光伏系统的实际服役环境中，水流马赫数远小于0.3。因此，本研究中将流体视为不可压缩粘性流体。连续性方程和动量守恒方程表达如下（Han和Dong, 2023）：

?·u=0

?(ρu)/?t+?·(ρuu?P)=ρF

其中u为流体速度向量，?·u表示速度向量的散度，ρ为流体密度（kg/m3）。对于不可压缩流体，……

**剖面修饰下的流场特征**

图7展示了不同剖面修饰方案下浮体底部表面上方和下方1 cm处的典型速度云图。为减少重复的流场信息，选取了基准工况以及R=0.01和0.04 m的上游和上下游剖面修饰工况进行对比。如图7左列所示，在底部表面上方1 cm处，经锐角圆弧剖面修饰后速度分布变得更加均匀……

**FNN框架**

第3节通过代表性算例阐明了锐角圆弧修饰和底部凹槽结构对浮体近壁湍流和非定常尾流涡的独立调控机制。然而，在实际服役环境中，浮体姿态受到多个几何参数非线性耦合的共同控制。在此基础上，本节基于前述独立参数……进一步扩展了几何参数设计空间。

**结论**

本研究以海上漂浮光伏（OFPV）浮体为研究对象，将数值模拟与理论分析相结合，研究了单浮体在无附加结构条件下，经锐角圆弧剖面修饰和增设凹槽后的阻力组成特征。建立了基于神经网络对浮体纵向倾斜特性进行预测和优化的模型，并提出针对性优化方案……

**CRediT作者贡献声明**

Hao Wang：撰写——初稿，经费获取，形式分析，数据整理，概念构思。

贾琦戴：写作——审阅与编辑、软件、形式分析、数据管理。王玉宝：写作——审阅与编辑、指导、方法论。刘林杰：写作——审阅与编辑、软件、调查。周欣：写作——审阅与编辑、资源、概念设计。何晓燕：写作——审阅与编辑、指导、概念设计。张欣宁：写作——审阅与编辑。

利益冲突声明：本稿件的提交不存在利益冲突，且稿件已获全体作者批准发表。本人谨代表全体合著者声明，文中所述工作此前未曾发表，亦未在任何其他刊物（全部或部分）处于投稿审阅中。所有署名作者均已批准随附的稿件。

致谢：本研究由国家自然科学基金资助（编号：52404230）。作者们深表谢意。

王浩 | 贾琦戴 | 王玉宝 | 刘林杰 | 周欣 | 何晓燕 | 张欣宁 | 蒋金楠