王 涵，胡志強(qiáng)

（上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 引 言

風(fēng)能作為一種可再生能源，具有經(jīng)濟(jì)、清潔、環(huán)保和可再生的特點(diǎn)，已被各國(guó)重點(diǎn)關(guān)注。海洋風(fēng)能持續(xù)穩(wěn)定、空間限制少及傳輸能量損耗低等特點(diǎn)決定了海上風(fēng)機(jī)是未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的主要方向。但是，隨著水深的增加，為降低成本，海洋風(fēng)機(jī)須采用浮式支撐平臺(tái)，這會(huì)給其帶來(lái)復(fù)雜的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)。自 1972年海上大型浮式風(fēng)機(jī)的概念[1]被提出以來(lái)，世界各國(guó)的相關(guān)研究人員在浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能方面開(kāi)展了豐富的研究，包括風(fēng)機(jī)理論建模、數(shù)值計(jì)算、模型試驗(yàn)及海上實(shí)測(cè)等。由于海上風(fēng)浪流載荷的復(fù)雜耦合作用顯著及系泊系統(tǒng)、平臺(tái)基礎(chǔ)、塔架、機(jī)艙和葉片之間相互影響，使得其動(dòng)力性能分析十分復(fù)雜。此外，所需的研究技術(shù)也比傳統(tǒng)的固定式風(fēng)機(jī)和海洋工程浮式結(jié)構(gòu)物研究技術(shù)復(fù)雜得多。因此，對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力性能進(jìn)行研究是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。

海洋浮式風(fēng)機(jī)是強(qiáng)非線性系統(tǒng)，對(duì)其動(dòng)力性能進(jìn)行研究的最大挑戰(zhàn)之一是必須同時(shí)考慮空氣動(dòng)力載荷和水動(dòng)力載荷，在計(jì)算中需同時(shí)兼顧雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)，從而對(duì)理論分析和試驗(yàn)研究均帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。此外，海洋浮式風(fēng)機(jī)是一個(gè)典型的多學(xué)科耦合系統(tǒng)，對(duì)其動(dòng)力性能進(jìn)行研究需考慮空氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及自動(dòng)控制等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，且在計(jì)算中必須采用時(shí)域分析技術(shù)。

本文從海洋浮式風(fēng)機(jī)的理論模型發(fā)展、數(shù)值分析技術(shù)及模型試驗(yàn)研究技術(shù)等角度對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的耦合動(dòng)力性能的研究現(xiàn)狀和研究成果進(jìn)行梳理與總結(jié)，為浮式風(fēng)機(jī)的進(jìn)一步研究提供借鑒和參考。

1 浮式風(fēng)機(jī)模型的發(fā)展

浮式風(fēng)機(jī)的概念自被提出以來(lái)，衍生出很多不同形式的平臺(tái)基礎(chǔ)概念。

2004年，WITHEE[2]提出TLP，spar和駁船平臺(tái)組合基礎(chǔ)，并采用spar平臺(tái)的放射式系泊。2009年，Statoil公司[3]投資約4億挪威克朗建成世界上第一座正式運(yùn)行的海上浮式風(fēng)機(jī)Hywind（見(jiàn)圖1a）），其單機(jī)功率為2.3MW，以單柱式浮體平臺(tái)為基礎(chǔ)，作業(yè)水深為200m，并通過(guò)3根錨鏈系泊。2009年，Blue H公司[4]安裝一臺(tái)TLP式浮式風(fēng)機(jī)（見(jiàn)圖1b））。2009年，美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）[5]整合 WindPACT，RECOFF 和 DOWEC 項(xiàng)目，開(kāi)發(fā) 5MW 基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)。2010年，JONKMAN等[6-7]對(duì) Hywind的參數(shù)進(jìn)行修改，針對(duì) 5MW 基準(zhǔn)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)單柱式基礎(chǔ)，即繼 5MW 單柱式浮式風(fēng)機(jī)OC3-Hywind之后，在OC4項(xiàng)目中為該5MW風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)半潛式平臺(tái)基礎(chǔ)。2011年，Principle Power公司[8]安裝2MW三立柱半潛式浮式風(fēng)機(jī)WindFloat，其作業(yè)水深為45m，采用4根懸鏈線進(jìn)行系泊（見(jiàn)圖1c））。2013年，日本安裝2臺(tái)浮式風(fēng)機(jī)，分別為Fukushima半潛式浮式風(fēng)機(jī)[9]和GOTO單柱式浮式風(fēng)機(jī)[10]（見(jiàn)圖1d）和圖1e））。

圖1 浮式風(fēng)機(jī)實(shí)型

除了上述典型基礎(chǔ)的模型以外，丹麥 Sway公司還提出Spar/TLP混合結(jié)構(gòu)模式[11]（見(jiàn)圖1f））挪威科技大學(xué)的MULIAWAN等[12]提出一種將Spar型浮式風(fēng)機(jī)與圓盤形軸對(duì)稱的雙體波能轉(zhuǎn)換器結(jié)合在一起的模型——STC（Spar-Torus Combination）系統(tǒng)（見(jiàn)圖 2）。

圖2 STC系統(tǒng)

2 浮式風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算程序的開(kāi)發(fā)研究

為保證浮式風(fēng)機(jī)的安全性和經(jīng)濟(jì)性，需在浮式風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)階段對(duì)其耦合動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行較為全面的分析和預(yù)報(bào)，確保使用者更為了解其動(dòng)力性能。HALFPENNY[13]運(yùn)用線性假設(shè)下的頻域分析方法對(duì)淺海風(fēng)機(jī)和浮式風(fēng)機(jī)的水動(dòng)力特性進(jìn)行研究。但是，浮式風(fēng)機(jī)不同于普通海洋浮式結(jié)構(gòu)物，因風(fēng)機(jī)葉片的旋轉(zhuǎn)作用，前者屬非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的線性頻域算法并不適用。

隨著研究的逐步深入，相關(guān)研究人員開(kāi)始采用時(shí)域分析方法對(duì)浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究。但是，由于浮式風(fēng)機(jī)是一個(gè)由葉片、機(jī)艙、塔架、平臺(tái)及系泊系統(tǒng)組成的復(fù)雜多體系統(tǒng)，因此在對(duì)其風(fēng)、浪、流等載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析時(shí)，必須考慮各部分的耦合作用，傳統(tǒng)的固定式風(fēng)機(jī)計(jì)算程序和平臺(tái)水動(dòng)力計(jì)算程序并不適用?；诖耍嚓P(guān)研究人員開(kāi)發(fā)不同的時(shí)域數(shù)值計(jì)算程序?qū)ζ鋭?dòng)力響應(yīng)進(jìn)行耦合分析。

2004年，WITHEE[2]將NREL開(kāi)發(fā)的計(jì)算固定式風(fēng)機(jī)的FAST與進(jìn)行動(dòng)力分析的ADAMS相整合，并對(duì)其提出的新基礎(chǔ)形式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行耦合動(dòng)力分析。2006年，ZAMBRANO等[14]通過(guò)WAMIT對(duì)平臺(tái)基礎(chǔ)所受的波浪力進(jìn)行模擬，并根據(jù)結(jié)構(gòu)上的各種外力及系統(tǒng)的慣性，利用TIMEFLOAT程序計(jì)算風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)平臺(tái)在風(fēng)、浪、系泊力作用下的六自由度運(yùn)動(dòng)進(jìn)行時(shí)域分析。

NREL也已在浮式風(fēng)機(jī)研究及程序開(kāi)發(fā)方面開(kāi)展大量工作，其聯(lián)合MIT開(kāi)展了水深10～200m的海上風(fēng)機(jī)研究項(xiàng)目。選擇MIT/NREL的淺吃水駁船模型和TLP模型進(jìn)行水動(dòng)力性能及經(jīng)濟(jì)性的對(duì)比計(jì)算。利用NREL自行開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力-空氣動(dòng)力耦合的FAST軟件和MIT開(kāi)發(fā)的WAMIT軟件，對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力-水動(dòng)力-空氣動(dòng)力耦合的頻域分析[15]。JONKMAN等[16]提出氣彈-水動(dòng)力全耦合仿真模型，并提出全耦合仿真工具必須基于時(shí)域分析，對(duì)FAST進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng) FAST.ADAMS 預(yù)處理器功能；同時(shí)，考慮平臺(tái)基礎(chǔ)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)、線性水動(dòng)力載荷及錨鏈系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)，將MIT開(kāi)發(fā)的SWIM-MOTION-LINES和WAMIT與FAST和ADAMS整合到一起。JONKMAN[17]將考慮線性靜水回復(fù)力、非線性黏性拖曳力、線性波輻射產(chǎn)生的附加質(zhì)量與阻尼、自由表面效應(yīng)及線性繞射產(chǎn)生的波浪激勵(lì)力的HydroDyn模塊和準(zhǔn)靜態(tài)懸鏈線的系泊模塊導(dǎo)入到FAST中來(lái)分析浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性的全耦合響應(yīng)。JONKMAN等[18]采用全耦合的FAST程序?qū)︸g船平臺(tái)基礎(chǔ)的5MW浮式風(fēng)機(jī)在不同載荷下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，通過(guò)將陸上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)與海上風(fēng)機(jī)系統(tǒng)相對(duì)比，得出風(fēng)機(jī)與浮式平臺(tái)動(dòng)態(tài)耦合對(duì)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響。2009年，NREL聯(lián)合斯圖加特大學(xué)，采用全耦合的FAST程序?qū)IT/NREL TLP，OC3-Hywind Spar和駁船基礎(chǔ)浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)，除Spar式風(fēng)機(jī)在塔架處的受力較大之外，兩者所受極限載荷及疲勞載荷相差不大[19]。2010年，NREL聯(lián)合丹麥、挪威等國(guó)家，利用其開(kāi)發(fā)的氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性全耦合仿真系統(tǒng)FAST及其他數(shù)值計(jì)算程序，分別對(duì)Spar的單柱式浮式風(fēng)機(jī)模型在不同海況下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，比較不同數(shù)值計(jì)算程序的結(jié)果，分析不同建模方法、數(shù)值計(jì)算程序及其對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響，并提出適于非線性浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的“有效RAO”概念[20]。

此外，其他組織和個(gè)人也在開(kāi)發(fā)不同的數(shù)值計(jì)算代碼或數(shù)值程序來(lái)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行研究。KVITTEM等[21]將SIMO/RIFLEX與AeroDyn耦合，對(duì)WindFloat的半潛式平臺(tái)的耦合動(dòng)力性能進(jìn)行分析。KOO等[22]開(kāi)發(fā)一種MLTSIM-FAST代碼，并選擇DeepCwind項(xiàng)目中的TLP式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將結(jié)果與模型試驗(yàn)相對(duì)比，驗(yàn)證其程序的合理性。KARIMIRAD等[23]使用HAWC2和DeepC對(duì)Spar式浮式風(fēng)機(jī)在風(fēng)浪作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。THOMAS[24]對(duì)HydroD，DeepC及TDHMILL3d進(jìn)行整合，通過(guò)HydroD計(jì)算水動(dòng)力系數(shù)，通過(guò)TDHMILL3d計(jì)算推力載荷，并通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式將結(jié)果傳遞給DeepC，從而對(duì)TLP式、Spar式及半潛式5MW基準(zhǔn)浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行全耦合數(shù)值計(jì)算。

2014年，國(guó)際能源署組織成立風(fēng)能第30任務(wù)組[25]，來(lái)自11個(gè)國(guó)家的22個(gè)組織采用24個(gè)數(shù)值計(jì)算程序?qū)C4的5MW半潛式浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比證明不同建模方法的準(zhǔn)確性及其在對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析時(shí)對(duì)系泊力的影響、非線性水動(dòng)力項(xiàng)在計(jì)算平臺(tái)運(yùn)動(dòng)漂移力時(shí)的貢獻(xiàn)和進(jìn)行整體建模與局部建模時(shí)黏性拖曳力的差別等。該項(xiàng)目的實(shí)施可對(duì)數(shù)值計(jì)算工具的開(kāi)發(fā)和完善起到指導(dǎo)性作用。

在國(guó)內(nèi)，有關(guān)浮式風(fēng)機(jī)耦合動(dòng)力性能的研究雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較為迅速。LIU等[26]提出一種空氣動(dòng)力學(xué)與水動(dòng)力學(xué)耦合的計(jì)算方法，并開(kāi)發(fā)時(shí)域數(shù)值模擬程序DARwind來(lái)對(duì)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)將自由衰減、白噪聲、單獨(dú)風(fēng)和風(fēng)浪耦合工況下的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)響應(yīng)與模型試驗(yàn)相對(duì)比，驗(yàn)證其時(shí)域模擬程序的正確性。唐友剛等[27]以5MW風(fēng)機(jī)為模型，在概念上設(shè)計(jì)一種新型浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)，并編程計(jì)算頻域范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。丁勤衛(wèi)等[28]采用有限元方法建立5MW駁船式風(fēng)力機(jī)模型，并結(jié)合AQWA軟件對(duì)平臺(tái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析。張亮等[29]采用修正Morison公式計(jì)算波浪載荷，驗(yàn)證算法的正確性，并建立浮式風(fēng)機(jī)載荷模型，對(duì)5MW單柱式浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力性能進(jìn)行時(shí)域分析。

3 浮式風(fēng)機(jī)數(shù)值計(jì)算理論建模研究

目前已開(kāi)發(fā)的數(shù)值計(jì)算程序均由氣動(dòng)模塊、水動(dòng)模塊、結(jié)構(gòu)動(dòng)力模塊、系泊模塊及控制模塊等5大模塊組成。通過(guò)對(duì)這些模塊進(jìn)行耦合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性全耦合分析。數(shù)值計(jì)算要以理論模型為依據(jù)，因此很多研究者致力于對(duì)浮式風(fēng)機(jī)理論建模進(jìn)行研究，對(duì)不同建模方法進(jìn)行對(duì)比分析。

1) 在對(duì)浮式風(fēng)機(jī)氣動(dòng)模塊進(jìn)行建模方面，MICALLEF等[30]基于NREL的5MW水平軸浮式風(fēng)機(jī)，通過(guò)使用Navier-Stokes激勵(lì)盤（Actuator Disc，AD）模型來(lái)研究其空氣動(dòng)力部分，并與葉素動(dòng)量（Blade Element Momentum，BEM）模型和廣義動(dòng)態(tài)尾跡（Generalised Dynamic Wake，GDW）模型相對(duì)比，驗(yàn)證AD模型假設(shè)的正確性。研究發(fā)現(xiàn)：AD模型可獲得BEM模型無(wú)法得到的復(fù)雜三維流動(dòng)；而B(niǎo)EM模型僅適用于求解平均值或低葉尖速比和小波幅的準(zhǔn)靜態(tài)情況，不能模擬艉流的膨脹和收縮等不穩(wěn)定效應(yīng)，很難完成對(duì)疲勞等瞬變效應(yīng)的分析。

2) 在對(duì)浮式風(fēng)機(jī)水動(dòng)模塊進(jìn)行建模方面，BAE等[31]針對(duì)5MW單柱TLP式浮式風(fēng)機(jī)，對(duì)二階和頻波浪激勵(lì)對(duì)耦合及非耦合動(dòng)力響應(yīng)的影響進(jìn)行分析。分析發(fā)現(xiàn)：在非耦合狀態(tài)下，二階和頻波浪載荷會(huì)在縱搖-橫搖共振頻率附近激起高頻響應(yīng)；而在耦合狀態(tài)下，與頻波浪載荷作用不會(huì)激起縱搖響應(yīng)。KARIMIRAD[32]基于Morison公式、壓力積分法和面元法建立不同的水動(dòng)力模型，對(duì)平均漂移力和二階水動(dòng)力對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的影響進(jìn)行分析，并通過(guò)Simo-Riflex-AeroDyn，HAWC2和FAST分別對(duì)Hywind的Spar式風(fēng)機(jī)在風(fēng)浪耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析。研究顯示：平均漂移力對(duì)垂蕩運(yùn)動(dòng)有較大影響，但對(duì)其他運(yùn)動(dòng)和拉力的影響不大；二階水動(dòng)力對(duì)響應(yīng)的影響均不大，在對(duì)Spar式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行分析時(shí)可忽略其作用。

3) 在對(duì)系泊模型的研究方面，XU等[33]采用FAST-OrcaFlex和FAST建立動(dòng)態(tài)系泊模型及準(zhǔn)靜態(tài)系泊模型，對(duì)OC3-Hywind Spar式浮式風(fēng)機(jī)在規(guī)則波和非規(guī)則波作用下的耦合動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。研究表明：在分析浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)，采用動(dòng)態(tài)系泊模型更為準(zhǔn)確。

4) 在對(duì)浮式風(fēng)機(jī)整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行建模分析方面，WANG等[34]利用多體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)其進(jìn)行分析，將系統(tǒng)看作塔架、機(jī)艙和葉片等3個(gè)剛體。

4 浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)研究

盡管相關(guān)研究人員已對(duì)浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行大量的理論分析和數(shù)值計(jì)算，但由于在對(duì)其進(jìn)行建模和計(jì)算過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很多簡(jiǎn)化及近似問(wèn)題，因此仍需通過(guò)模型試驗(yàn)來(lái)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。由此，要使浮式風(fēng)機(jī)的理論建模、數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)相互結(jié)合、互為補(bǔ)充、互為驗(yàn)證，以實(shí)現(xiàn)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的準(zhǔn)確分析。

Statoil公司在對(duì)Hywind進(jìn)行預(yù)研時(shí)即對(duì)其進(jìn)行模型試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相對(duì)比，以保證研究的準(zhǔn)確性。與之相似，對(duì)于所有即將投入建造或安裝的浮式風(fēng)機(jī)，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)會(huì)先通過(guò)模型試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。例如，Principle Power公司[35]在建造WindFloat之前就對(duì)其進(jìn)行縮尺比為1：67的模型試驗(yàn)（見(jiàn)圖3a））；為進(jìn)一步研究浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力性能，Hydro Oil&Energy[35]對(duì)Hywind進(jìn)行縮尺比為1：47的模型試驗(yàn)（見(jiàn)圖3b））；SETHURAMAN等[36]為驗(yàn)證新設(shè)計(jì)的有4根系泊纜的Spar式浮式風(fēng)機(jī)在海況中具有較好的動(dòng)力性能，進(jìn)行縮尺比為1：100的模型試驗(yàn)。

荷蘭MARIN水池也已進(jìn)行大量模型試驗(yàn)研究，成果顯著。緬因州大學(xué)[37]在MARIN水池進(jìn)行一系列縮尺比為1：50的模型試驗(yàn)，分別對(duì)單柱式、半潛式和TLP式浮式風(fēng)機(jī)模型（見(jiàn)圖4）的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，并證明不同風(fēng)機(jī)型式的優(yōu)缺點(diǎn)。MARIN水池在對(duì)GustoMSC的三浮體半潛式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行1：50的模型試驗(yàn)時(shí)，采用一種推力相似的風(fēng)機(jī)模型，解決幾何相似帶來(lái)的尺度效應(yīng)問(wèn)題[38]。此后，緬因州大學(xué)對(duì)[39]該推力相似的風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行縮尺比為1：130的模型試驗(yàn)，并與MARIN的縮尺比為1：50的模型試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，發(fā)現(xiàn)小尺度模型（即縮尺比為1：130的模型）試驗(yàn)更為準(zhǔn)確有效。

圖3 模型試驗(yàn)

圖4 荷蘭MARIN水池縮尺比為1：50的模型試驗(yàn)

上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)內(nèi)較早系統(tǒng)地開(kāi)展浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)研究的機(jī)構(gòu)之一。DUAN等[40]針對(duì)單柱式浮式風(fēng)機(jī)和半潛式浮式風(fēng)機(jī)的耦合動(dòng)力性能，在上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室深水試驗(yàn)池對(duì)OC3的單柱式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行1：50的模型試驗(yàn)（見(jiàn)圖5），研究其在不同環(huán)境、不同載況下的動(dòng)力響應(yīng)特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)：平臺(tái)縱蕩與縱搖運(yùn)動(dòng)耦合程度很大；塔架頂部彎矩主要由一階振蕩分量決定，且受入射波的影響；在風(fēng)浪激勵(lì)下，風(fēng)載荷對(duì)系泊張力的影響起主要作用?；谠撃Ｐ驮囼?yàn)，DUAN等[41]又對(duì)單柱式浮式風(fēng)機(jī)的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)載荷對(duì)渦激運(yùn)動(dòng)有顯著的抑制作用；橫蕩方向的鎖定現(xiàn)象比縱蕩方向的鎖定現(xiàn)象出現(xiàn)早；在單獨(dú)流的作用下，其他自由度和錨鏈拉力都會(huì)與橫蕩及縱蕩渦激運(yùn)動(dòng)發(fā)生耦合。此外，DUAN等[42]基于OC3的單柱式浮式風(fēng)機(jī)，重新設(shè)計(jì)推力匹配葉片系統(tǒng)（Thrust-Matched Blade System，TMBS），并通過(guò)模型試驗(yàn)與幾何匹配葉片系統(tǒng)（Geometry-Matched Blade System，GMBS）相對(duì)比，研究其在一系列風(fēng)和不規(guī)則波作用下的響應(yīng)特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)：與GMBS不同的是，TMBS中的葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)較弱，艏搖的振蕩不僅會(huì)由葉片旋轉(zhuǎn)效應(yīng)激勵(lì)，還會(huì)由入射波在波頻處激勵(lì)；此外，TMBS塔架頂部的彎矩、剪力及軸向推力都比GMBS大。

圖5 OC3-Hywind縮尺比為1：50的模型試驗(yàn)

5 浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能分析

在研究浮式風(fēng)機(jī)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行理論建模、數(shù)值計(jì)算及模型試驗(yàn)，以更好地研究其動(dòng)力性能，驗(yàn)證風(fēng)機(jī)形式的合理性、安全性、適用性及經(jīng)濟(jì)性等，使浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

WAYMAN等[43]將駁船平臺(tái)與TLP平臺(tái)相對(duì)比，對(duì)兩者在風(fēng)浪作用下不同自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及兩模型的經(jīng)濟(jì)性、可行性進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：駁船平臺(tái)系統(tǒng)六自由度固有頻率不隨風(fēng)速變化，但會(huì)隨水深的增加而稍有增大，其運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差會(huì)隨水深的增加而減小；TLP平臺(tái)系統(tǒng)六自由度固有頻率不隨風(fēng)速變化，但會(huì)隨水深的增加而顯著減小，其RAO和標(biāo)準(zhǔn)差也會(huì)隨水深的增加而減小，這意味著TLP平臺(tái)更適用于深水環(huán)境。此外，還發(fā)現(xiàn)TLP式浮式比駁船式浮式更經(jīng)濟(jì)。

BACHYNSKIE等[44]為對(duì)5MW TLP式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)耦合的非線性程序?qū)Σ煌瑓?shù)的TLP式浮式風(fēng)機(jī)在不同海況下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果說(shuō)明：較大的排水量可減小平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，增大的預(yù)張力可減小相對(duì)張力的變化；TLP式浮式風(fēng)機(jī)響應(yīng)受固有頻率和剛度變化的影響比受直徑、水深、壓載及浮筒半徑的影響大。

JEON等[45]對(duì)帶有3個(gè)懸鏈線式系泊纜的中空?qǐng)A柱形Spar式浮式風(fēng)機(jī)在非規(guī)則波激勵(lì)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：雖然平臺(tái)縱蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)對(duì)波浪的激勵(lì)不敏感，但受系泊纜的影響很大；縱蕩響應(yīng)峰值會(huì)隨系泊纜總長(zhǎng)的增加而減小，且會(huì)隨系泊纜的連接位置接近浮心而逐漸減小，并在連接位置低于某一臨界位置時(shí)反向增大；縱搖響應(yīng)峰值會(huì)隨連接位置的下降而增大。

馬鈺[35]首先通過(guò)FAST軟件對(duì)OC3-Hywind Spar式浮式風(fēng)機(jī)在風(fēng)浪作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域分析，隨后通過(guò)傅里葉變換對(duì)其進(jìn)行頻域分析，研究各運(yùn)動(dòng)模態(tài)的耦合作用。此外，還進(jìn)行“有效RAO”的計(jì)算，得到六自由度運(yùn)動(dòng)及錨鏈載荷對(duì)波浪載荷的響應(yīng)頻率曲線。研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)載荷主要激勵(lì)低頻響應(yīng)，如縱蕩和縱搖固有頻率的共振響應(yīng)，但對(duì)波頻響應(yīng)的影響很小。

對(duì)于半潛式風(fēng)機(jī)平臺(tái)，相關(guān)研究人員也對(duì)其進(jìn)行了一定的分析。LI等[46]通過(guò)FAST軟件對(duì)OC4-DeepCWind的半潛式浮式風(fēng)機(jī)在風(fēng)浪耦合作用下的整體運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行時(shí)域分析。研究發(fā)現(xiàn)：風(fēng)載荷會(huì)加速平臺(tái)的衰減運(yùn)動(dòng)，并會(huì)增加縱蕩和縱搖的固有周期；高風(fēng)速下的變槳距控制會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不穩(wěn)定性，但這種不穩(wěn)定性可通過(guò)改進(jìn)槳距控制器得到改善，因此平臺(tái)縱搖不會(huì)呈現(xiàn)出不穩(wěn)定狀態(tài)；但是，由于改進(jìn)后的槳距控制器的頻率仍比縱蕩頻率高，因此在共振頻率范圍內(nèi)縱蕩運(yùn)動(dòng)仍會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性。石陸豐等[47]設(shè)計(jì)一種半潛平臺(tái)，并應(yīng)用ADINA 軟件，采用邊界造波方法、ALE 動(dòng)網(wǎng)格方法及網(wǎng)格變疏增大數(shù)值黏性的消波方法構(gòu)建數(shù)值波浪水池，對(duì)該半潛式平臺(tái)在規(guī)則波作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

除了以上傳統(tǒng)形式的浮式風(fēng)機(jī)，近年來(lái)有許多的研究者開(kāi)始對(duì)新概念浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究。KARIMIRAD等[48]基于TLP式模型和Spar式模型建立一個(gè)TLS混合式模型，并通過(guò)HAWC2和USFOS/vpOne對(duì)其運(yùn)動(dòng)及張力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。研究發(fā)現(xiàn)：波浪誘導(dǎo)的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)會(huì)影響風(fēng)機(jī)的功率性能；縱搖共振響應(yīng)是浮式風(fēng)機(jī)的主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)張力腿來(lái)影響其他自由度的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)。HA等[49]對(duì)Spar式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，增加調(diào)諧液體阻尼器（Tuned Liquid Damper，TLD），并研究其對(duì)縱搖運(yùn)動(dòng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)：TLD可減小縱搖運(yùn)動(dòng)，且多層TLD相比單層TLD可更有效地減小浮式平臺(tái)在固定頻率下的縱搖運(yùn)動(dòng)。此外，其提出一個(gè)可確定TLD最佳層數(shù)的理論模型。MULIAWAN等[50]對(duì)增加波能轉(zhuǎn)換器的Spar式風(fēng)機(jī)（STC系統(tǒng)）的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)：在風(fēng)浪聯(lián)合作用下，波能轉(zhuǎn)換器的增加不僅會(huì)使Spar平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的平均位移及系泊拉力均有微小增大，還會(huì)使縱蕩和縱搖的標(biāo)準(zhǔn)偏差減小，即使縱搖更穩(wěn)定、發(fā)電率更高。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的模型發(fā)展、理論建模、數(shù)值計(jì)算程序開(kāi)發(fā)、模型試驗(yàn)及動(dòng)力性能分析等方面進(jìn)行較為全面的闡述。雖然當(dāng)前已對(duì)浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行大量研究，但各研究方法均存在一定的簡(jiǎn)化和近似問(wèn)題，如何更為準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行研究仍需不斷探究。

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