袁劍平，毛鴻飛，潘新祥，賈寶柱，紀 然，赫巖莉

海上浮式風機研究現(xiàn)狀展望——基于南海海域

袁劍平1，毛鴻飛1，潘新祥2，賈寶柱2，紀 然2，赫巖莉1

（1. 廣東海洋大學海洋工程學院，廣東 湛江 524088；2. 廣東海洋大學海運學院，廣東 湛江 524088）

【】總結(jié)和展望海上浮式風機研究的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。對海上浮式風機空氣動力學和水動力學特性的國內(nèi)外研究進展進行綜述，總結(jié)已獲得的研究成果以及研究中存在的不足和局限。結(jié)合海上風機研究現(xiàn)狀以及我國南海海域環(huán)境特征，展望南海海域浮式風機結(jié)構(gòu)和錨泊系統(tǒng)受荷載特征研究方向。建議以研究多樣化、區(qū)域特色化和裝備智能化作為海上浮式風機動力特性研究方向。針對海上浮式風機動力特性研究對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程安全具有重要的指導(dǎo)意義。

海洋工程；浮式風機；南海海域；智能化；空氣動力學；水動力學

風能作為清潔能源和可再生資源，具有儲量豐富、利用率高等諸多優(yōu)點。我國的風能資源儲量為3.226×1012W，其中工程實際可開發(fā)電量為2.53×1011W，開發(fā)潛力巨大[1]。利用風能發(fā)電的風機結(jié)構(gòu)主要形式分為兩種，即陸地風機和海上風機。海上風機相比陸地風機對土地資源需求更少，受風場要求等客觀限制也相對更小。隨著海洋資源開發(fā)的不斷擴張，對清潔能源的需求量不斷加大，我國海上風機的建設(shè)以及支持力度都在逐漸加大，設(shè)計理念、關(guān)鍵性技術(shù)以及配套產(chǎn)品已經(jīng)日漸成熟。在設(shè)備生產(chǎn)和安裝成本降低的條件下，對海上風機的研究和應(yīng)用都成為海洋工程領(lǐng)域所關(guān)注的熱點問題。按照固定形式不同，海上風機又可分為固定式風機（圖1 a）和浮式風機（圖1 b）。隨著我國對海域使用管理的嚴格化和規(guī)范化，近岸海域的開發(fā)和使用受到了嚴格限制，深海海域的開發(fā)則成為海洋資源開發(fā)的重點。由于深海情況下固定式風機成本極高，其建設(shè)已經(jīng)逐漸減少，浮式風機得益于其可以以較低成本適應(yīng)于深海海域環(huán)境、風能利用率較高和發(fā)電效率穩(wěn)定等優(yōu)點，已成為當今海洋風電所主要使用的發(fā)電裝置。

根據(jù)我國《可再生能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，截至2020年，我國海上風電開工建設(shè)的目標規(guī)模10 GW，確保并網(wǎng)5 GW。要達到并網(wǎng)容量目標，2017—2020年海上風電機并網(wǎng)容量復(fù)合增長率將達到32%。這對我國海上風機發(fā)電效率及風機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性提出了更高要求。盡管國內(nèi)外對于海上浮式風機動力特性已有諸多研究，但一些關(guān)鍵性問題仍有待于解決，一些關(guān)鍵技術(shù)還需進一步優(yōu)化，如風機在特殊海域環(huán)境下的動力特性及風機智能化自驅(qū)動研究等。因此，開展對海上風機基礎(chǔ)設(shè)施性能研究，對提高風機工作效率和安全性有重要意義。

本研究系統(tǒng)分析了國內(nèi)外海上浮式風機性能研究中存在問題，結(jié)合我國南海海域?qū)嶋H海況特征，對海上風機結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和錨泊系統(tǒng)安全性研究提出合理化建議；從研究問題和理論方法多樣化角度尋求海上浮式風機研究方向；提出智能化風機發(fā)展方向，旨在為海上浮式風機動力特性研究提供方向，對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程安全有重要指導(dǎo)意義。

1 海上浮式風機研究現(xiàn)狀

海上浮式風機由風機葉片、主體結(jié)構(gòu)、浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和錨泊系統(tǒng)構(gòu)成，如圖2所示。工作時，風機上的葉片受到氣流的作用，作用力會傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，浮式平臺受到流體的作用，作用力會傳遞給錨泊系統(tǒng)。因此，對海上浮式風機的研究分為空氣動力學研究、水動力學研究、錨泊系統(tǒng)研究以及耦合研究。

1.1 風機空氣動力學研究現(xiàn)狀

對風機葉片的空氣動力特性開展的早期研究多基于動量—葉素理論和渦尾跡方法開展。Glauert[2]提出了動量—葉素理論，并運用于葉片旋轉(zhuǎn)運動中空氣流動的分析。Wilson等[3]基于動量—葉素理論對風機葉片的空氣動力學問題進行了研究。Gohard[4]采用渦尾跡方法對風機葉片的空氣動力學問題開展了解析研究。Gupta[5]采用渦尾跡方法對風機葉片的非定?？諝饬鲃娱_展了計算研究。

近年來，基于流體運動理論的方法也用于風機空氣動力學研究中，流體運動理論可分為勢流理論和黏性流理論，前者基于理想流體假設(shè)建立，即流體無黏和流動無旋，后者考慮流體黏性和流動有旋性。Preuss等[6]和Whale等[7]分別基于勢流理論對定常和非定常流作用下的葉片受力、運動以及空氣流動特征開展了研究。但由于無法考慮黏性效應(yīng)，基于勢流理論的研究仍存在預(yù)測準確性上的問題。因而，近年來基于黏性流理論對風機空氣動力學的研究被相應(yīng)地提出并得到開展。Lu等[8]基于黏性流理論對均勻氣流作用下風機葉片運動和尾部氣流形態(tài)特性開展了研究。任年鑫[9]基于黏性流理論建立了二維數(shù)值計算模型，并對翼型結(jié)構(gòu)空氣動力學特性開展了研究。Zhou等[10]基于黏性流理論建立了三維數(shù)值計算模型，并對風機葉片分別在順風氣流和逆風氣流作用下的運動以及氣流流場特征開展了研究。

1.2 浮式風機水動力學研究現(xiàn)狀

浮式風機的浮式平臺基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)包括單柱式（Spar）基礎(chǔ)、張力腿式（TLP）基礎(chǔ)和半潛式（Semi-sub）基礎(chǔ)，如圖3所示，不同的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式適用于不同深度的海域。對于風機浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力學研究是當今海洋工程領(lǐng)域的熱點和難點問題。對于海洋中受到流和波浪的作用的浮式結(jié)構(gòu)，尤其在深海海域，較大速度的流和強非線性波浪作用下結(jié)構(gòu)上流體作用荷載和運動響應(yīng)是工程安全性研究所考察的重點問題。

圖1 海上風機

圖2 浮式風機結(jié)構(gòu)

圖3 浮式風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)示意

浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)水動力特性研究的基礎(chǔ)流體運動理論為勢流理論和黏性流理論。早期對浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的流體荷載和運動響應(yīng)的研究大多基于勢流理論開展。阮勝福[11]基于勢流理論采用三維計算模型研究了浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在波流共同作用下的流體作用力和運動響應(yīng)特征。何江賢[12]基于勢流理論建立了三維數(shù)值計算模型，并對波流作用下浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力特性開展了研究。由于波浪與浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)相互作用時可能存在波浪破碎、越浪和氣液摻混等復(fù)雜自由面問題，并且在流固相互作用過程中可能存在黏性效應(yīng)和比尺效應(yīng)等問題，這些均是基于勢流理論建立的研究方法所無法實現(xiàn)和考慮的，因而黏性流理論越來越多地被應(yīng)用于浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力特性研究中。Bredmose等[13]基于黏性流理論采用VOF自由面捕捉方法考察了波浪對浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沖擊作用和波浪破碎現(xiàn)象。Tran等[14]基于黏性流理論對波浪作用下半潛式風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力特性開展了數(shù)值研究，并將黏性流結(jié)果與勢流理論下的結(jié)果進行了對比分析。Cheng等[15]考慮了風機的上部葉片分別處于工作和非工作兩種狀態(tài)，基于黏性流理論對浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力特性開展了數(shù)值計算研究。Dunbar等[16]基于黏性流理論建立了三維數(shù)值模型，對水深較大情況下半潛式風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力特性開展了數(shù)值研究，通過與商業(yè)軟件計算結(jié)果的對比，驗證了其模型的正確性。

1.3 錨泊系統(tǒng)水動力學研究現(xiàn)狀

為了簡化模型，通常將錨泊系統(tǒng)分為細長桿和懸鏈線兩種形式來開展研究。早期的研究以細長桿錨泊模型為主，Garrett[17]提出了具有彈性并可以改變?yōu)槿我庑螤畹募氶L桿錨泊模型，可以考慮錨泊拉力和流體荷載，并應(yīng)用于相應(yīng)的研究中。Arcandra[18]將Garrett[17]提出的細長桿模型加以改進，考慮材料的非線性，并研究了錨泊在流體作用下的應(yīng)力應(yīng)變特性。隨著計算求解方法的不斷進步，懸鏈線錨泊模型被提出并廣泛應(yīng)用于錨泊系統(tǒng)的水動力學研究中。Smith等[19]基于勢流理論采用拉格朗日迭代法對懸鏈線錨泊的水動力特性開展了解析研究。Chai等[20]考慮了柔性材料，基于勢流理論提出了懸鏈線錨泊分別處于完全懸垂和部分著底狀態(tài)下荷載的計算方法。Brommundt[21]等基于勢流理論優(yōu)化了懸鏈線錨泊模型，并對半潛式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在波浪作用下的水動力特性開展了數(shù)值計算研究。Zhang[22]基于黏性流理論，對半潛式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在風、浪、流共同作用下錨泊系統(tǒng)的水動力特性開展了數(shù)值計算研究。此外，Musial等[23]結(jié)合實際海況，分析討論了不同浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)下懸鏈線錨泊和垂直錨泊優(yōu)缺點。

1.4 耦合研究現(xiàn)狀

隨著對風機部分結(jié)構(gòu)空氣動力和水動力特性相關(guān)研究的廣泛開展和逐步深入，對海上浮式風機的耦合動力特性研究也逐漸被海洋工程領(lǐng)域?qū)W者重視并得到了開展。Withee[24]建立了浮式風機的耦合動力計算模型，并對風和非線性波浪作用下的浮式風機所受外部荷載以及整體運動響應(yīng)開展了數(shù)值模擬研究。Skaare等[25]應(yīng)用 SIMO/RIFLEX和HAWC2軟件對風機與浮式基礎(chǔ)的耦合動力特性進行了數(shù)值模擬。Jokman[26-27]基于勢流理論建立了可以考慮風和流共同作用下浮式風機動力特性的耦合計算模型，并在頻域內(nèi)對浮式風機在淺水和深水狀態(tài)下的荷載和運動響應(yīng)開展了數(shù)值計算研究，分析了不同水深情況下風機的發(fā)電性能和成本，綜合考慮和討論了經(jīng)濟效益問題。Zhang等[28]建立了浮式風機的耦合計算模型，其中空氣動力計算采用解析方法，水動力計算采用WAMIT軟件，錨泊系統(tǒng)荷載采用有限元方法進行計算，并采用該耦合模型對Spar浮式風機的荷載和運動響應(yīng)問題開展了數(shù)值模擬研究。Zhang等[29]基于勢流理論建立了可以考慮海上浮式風機在風、浪、流聯(lián)合作用下動力特性的耦合計算模型，對深水條件下WindFloat 型半潛式浮式風機的動力特性開展了數(shù)值模擬研究。Zhao等[30]采用空氣動力學理論、水動力學理論和多浮體運動學理論對超大型半潛浮式風機開展了動力學特征耦合計算研究，發(fā)現(xiàn)在低頻激振風荷作用下，系統(tǒng)脈動分量和運動有顯著增加。對于浮式風機耦合計算分析研究而言，基于黏性流理論開展的研究仍處于有待完善的階段，其中一些耦合計算方法、數(shù)值離散方法和結(jié)構(gòu)物運動響應(yīng)計算方法等方面仍有待于進一步優(yōu)化和改進。

2 南海海域特點和研究需考慮問題

隨著世界各國對能源安全、生態(tài)環(huán)境和氣候變化等問題日益重視，加快發(fā)展風電已成為國際社會推動能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、應(yīng)對全球氣候變化的普遍共識和一致行動。我國在近年來也極為重視風電事業(yè)的發(fā)展，過去10年，在國家政策的大力推動下，我國風電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展。但數(shù)據(jù)顯示，2017年全國（除港、澳、臺地區(qū)外）新增裝機容量1 966×1014kw，同比下降15.9%；累計裝機容量達到1.88×109kw，同比增長11.7%，增速放緩，其主要原因在于陸上風電現(xiàn)有產(chǎn)能利用率低。因而，海上風電的開發(fā)及產(chǎn)能提高問題也是我國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點關(guān)注問題。由于海域面積大，風能儲藏量高等優(yōu)勢，南海海上風電開發(fā)則是我國風電發(fā)展的主要方向。

2.1 南海海域臺風

我國廣東省沿海擁有4 114 km海岸線和41.93×104km2遼闊海域。沿海地帶處于亞熱帶和南亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，冬、夏季季候風特征十分明顯。同時，南海海域也是我國熱帶氣旋影響最為頻繁的區(qū)域，臺風對海洋資源開發(fā)和利用的影響必須加以考慮和重視。南海海域臺風過境情況下，海上浮式風機的空氣動力特性是有待于研究的問題，采用物理模型試驗和數(shù)值模擬方法獲得葉片和主體結(jié)構(gòu)所受氣流荷載的預(yù)測值是對海上浮式風機的安全性研究的重要問題，這對于風機結(jié)構(gòu)的設(shè)計有重要的參考意義。

2.2 南海海域波流作用強

熱帶氣旋過境時，海面及海面以上的風力極大，由于夾卷作用，會引起巨大的波浪和海流。波浪作用于浮式風機的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)時，會產(chǎn)生波浪沖擊和越浪等災(zāi)害性問題，波浪沖擊力有作用時間短，作用力較大的特征，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的損壞。另外，當流速較大，波浪作用較強的情況下，錨泊也會受到較大的拉力。因此，對于南海海域而言，需要對強非線性波浪和較大流速海流作用下浮式風機的水動力特性開展研究，針對風機結(jié)構(gòu)所受流體荷載、風機結(jié)構(gòu)的運動響應(yīng)以及錨泊系統(tǒng)荷載全面系統(tǒng)地考察。

3 海上浮式風機研究方向和展望

3.1 研究理論、方法和問題多樣化

海上浮式風機相比近岸固定式風機的研究起步較晚，仍存在諸多的問題有待于研究和解決。針對前人研究局限性和研究理論多樣化角度來看，對于海上浮式風機在風、浪、流耦合作用下的研究由于其較復(fù)雜，現(xiàn)階段研究多基于勢流理論開展。但由于勢流理論建立在一定的假設(shè)條件下，無法考慮流體黏性和流動有旋性，對于黏性效應(yīng)較顯著的物理問題，對結(jié)果預(yù)測無法足夠準確。因此，考慮流體黏性和流動有旋性對結(jié)構(gòu)承受荷載、結(jié)構(gòu)運動響應(yīng)和錨泊系統(tǒng)受力的影響，基于黏性流理論對海上浮式風機的耦合研究有待于進一步開展和完善。從研究方法多樣化角度來看，數(shù)值模擬方法作為當今流體動力學研究的主流方法已逐漸成為浮式風機研究的主要方法。物理模型試驗研究方法也可以作為研究手段對浮式風機的運動響應(yīng)有直觀的研究作用，并且可以用于對數(shù)值計算模型的驗證，但由于其無法考慮比尺效應(yīng)問題，物理模型試驗研究仍存在一定的局限性。原型試驗是在海洋真實環(huán)境中開展的試驗研究，其具有真實、準確、直觀的研究特點，可以結(jié)合近年來南海沿海地區(qū)開展的海上試驗場項目進行相應(yīng)的研究。從研究問題多樣化角度來看，浮式風機的建造材料、錨泊系統(tǒng)的錨固型式以及傳遞電能的海底管線受海流沖刷、耐腐蝕性和渦激振動等均是需要進一步開展研究的問題。

3.2 結(jié)合海域特點開展區(qū)域特色研究

如前文所述，我國南海海域具有臺風危害較大、強非線性波浪多、海流流速較大等特點。針對南海海域的這些特點，對浮式風機的荷載、運動響應(yīng)以及錨泊系統(tǒng)荷載等問題開展研究。以浮式風機工作穩(wěn)性和安全性為前提，研究各個海域海況常年的風力、海流流速以及波浪強度等特點，并對不同海域自然特征下浮式風機的動力特性開展研究，尋找適合開展浮式風機建設(shè)的海域。

3.3 海上浮式風機智能化

“智能化”對于當今世界已經(jīng)不再陌生，它在很多領(lǐng)域已經(jīng)給人們的日常生活帶來了變革。但相比其他行業(yè)，海洋工程領(lǐng)域的生產(chǎn)工作仍比較粗放，智能化的概念還未普及。“智慧海洋”是近年來我國提出的新概念，海洋裝備的智能化則是我國海洋工程領(lǐng)域課題研究的重要方向。海上浮式風機智能化的目的最終要落實到其工作生產(chǎn)效率和安全性上。結(jié)合智能化監(jiān)測系統(tǒng)，對浮式風機的發(fā)電效率進行實時監(jiān)控，同時可以分析該區(qū)域海況的風能特征。裝配智能化感應(yīng)設(shè)備，在風機承受荷載較大、運動響應(yīng)劇烈并且錨泊荷載較大時進行預(yù)警，保障風機工作的安全。研制智能化動力系統(tǒng)，在風機受外界作用強烈，結(jié)構(gòu)位移較大，錨泊系統(tǒng)受力較大時，動力系統(tǒng)為風機提供反向動力，使風機回到平衡位置，降低錨泊系統(tǒng)受力，提高安全性。

4 結(jié)論

海上浮式風機是對海上風能資源開發(fā)的重要工具。對比其他形式的風機，海上浮式風機受到環(huán)境影響更為復(fù)雜，因此準確預(yù)測風機所受荷載、運動響應(yīng)以及錨泊系統(tǒng)荷載等重要物理量對海上風機的設(shè)計和工作生產(chǎn)安全性都有著重要意義。本研究對海上浮式風機動力特性的研究現(xiàn)狀進行了介紹，按照研究內(nèi)容不同分為葉片的空氣動力特性、風機基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的水動力特性、錨泊系統(tǒng)的水動力特性以及耦合作用研究，并分別按照研究理論和方法的區(qū)別進行了詳細的說明。進一步，結(jié)合南海海域的自然條件特征，提出了在南海海域開展浮式風機研究所需要考察和研究的問題，即臺風和波流作用較大的問題。最后，展望海上浮式風機研究方向，從研究多樣化角度，結(jié)合南海海域特點角度以及海洋裝備智能化角度分別提出了海上浮式風機動力特性的研究方向。開發(fā)南海資源已經(jīng)是我國現(xiàn)階段發(fā)展的重要工作，海上浮式風機的研究則是海洋能源開發(fā)利用的重要課題，本文為海上浮式風機研究提供參考。

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Research Situation and the Prospect of Floating Wind-turbine in the South China Sea

YUAN Jian-ping1, MAO Hong-fei1, PAN Xin-xiang2, JIA Bao-zhu2, JI Ran2, HE Yan-li1

（1.,,524088,; 2.,,524088,）

【】To summarize and discuss the research status and prospect of development trend on floating wind-turbine.【】After reviewing the developing experience of aerodynamic and hydrodynamic characteristics for floating wind-turbine, an overview is presented on the present situation and concealed problems. Based on the research actuality on floating wind-turbine and the environment characteristics of the South China Sea, an expectation for the future research directions and contents for the studies on the wind turbine structures and mooring systems under fluid load in the South China Sea is made.【】Some reasonable suggestions,diversification, characteristics of the South China Sea region and intelligent equipment, for the research targets of the dynamic characteristics of floating wind-turbine are proposed.【】Research on the dynamic characteristics of floating wind-turbine has an important guiding significance to structural design and engineering safety.

marine engineering; floating wind-turbine; the South China Sea; intelligent; aerodynamics; hydrodynamics

TV139.2+6

A

1673-9159（2020）05-0133-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.05.017

2020-05-12

廣東省自然科學基金（51979045，51479017）；國家裝備預(yù)研基金項目（6142204190711）；國家國防科工局穩(wěn)定支持課題（JCKYS2019604SXJQR-02）；廣東省教育廳重點領(lǐng)域?qū)ｍ棧?019KZDZX1024）；廣東省教育廳高校青年創(chuàng)新人才項目（2019KQNCX045）；廣東海洋大學科研啟動費項目（120602-R19024）；廣東省“沖一流”省財政專項資金建設(shè)項目（231419010）

袁劍平（1979－），男，高級工程師，研究方向為船舶智能控制系統(tǒng)開發(fā)。E-mail: yjp_103@163.com

毛鴻飛（1985－），男，講師，研究方向為波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用。E-mail：maohongfei-gdou@qq.com

袁劍平，毛鴻飛，潘新祥，等. 海上浮式風機研究現(xiàn)狀展望[J]. 廣東海洋大學學報，2020，40（5）：133-138.

（責任編輯：劉朏）