鄒曉陽，潘衛(wèi)國

（上海電力大學能源與機械工程學院，上海市 浦東新區(qū) 201306）

0 引言

風電是清潔、可再生能源，據(jù)估計，全球可利用的風能約為20 TW，比可開發(fā)利用的水能大10 倍[1]。根據(jù)國際能源署的路線圖，2050 年風電在全球發(fā)電量的占比將達到15%～18%，每年能減少4.8 億t 的二氧化碳排放量[2]。陸上風機技術(shù)成熟，商業(yè)化運營取得了很大成功，但陸上風資源遠沒有海上風資源豐富和優(yōu)良[3-5]。海上風能具有諸多優(yōu)勢，如高風速、低湍流強度、低風切變和風速穩(wěn)定等，海上風機的噪聲和視覺污染對人類影響也較小[6-7]。此外，海上風電場不占陸上土地，發(fā)展空間廣闊，有利于發(fā)展風、光、氫等多能互補的綜合能源應用平臺。目前商業(yè)化投運的海上風電場主要位于淺海區(qū)域，以固定式風機為主要發(fā)電設備，然而全球80%以上的海上風資源位于水深超過60 m 的海域[8]。因此，減碳背景下開發(fā)大規(guī)模深遠海風電場是海上風電發(fā)展的必然趨勢[9-10]，作為深遠海風力發(fā)電設備的海上浮式風機將在其中起到至關重要的作用。

海上浮式風機動力學研究的方法主要有真機實測、模型試驗和數(shù)值仿真。真機實測能夠獲得風機動力學響應的第一手數(shù)據(jù)，但其成本高、周期長，由于只針對特定環(huán)境下的特定風機，研究結(jié)果的推廣性受限。模型試驗是根據(jù)相似原理制作原型的縮比模型，置于風洞和水池中進行風機動力學試驗，通過改變試驗參數(shù)可模擬不同結(jié)構(gòu)、環(huán)境載荷和運行狀況下的動力學特性，相對而言成本低、周期短，研究結(jié)果的推廣性大大增強。但模型試驗也存在一些問題，比較突出的是，風機基礎的水池模型重點模擬重力和慣性力，要求滿足弗汝德數(shù)相似條件，而機身的空氣動力模擬要求滿足雷諾數(shù)相似條件，然而兩者難以同時滿足，造成了“尺度效應”[1]，目前的一些研究方案還未能很好地解決這個問題。數(shù)值仿真研究的成本最低、周期最短，應用最為廣泛，隨著空氣動力學、水動力學、結(jié)構(gòu)動力學、數(shù)值計算的理論和方法，以及計算機技術(shù)的發(fā)展，近年來海上浮式風機機身的氣動力學、飄浮基礎的水動力學以及整機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真分析的研究也得到了快速發(fā)展。

本文從風機機身氣動力學、飄浮基礎水動力學、風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學3 個方面對近年來海上浮式風機動力學仿真分析研究進展進行綜述，并分析其發(fā)展趨勢，以期為本領域的進一步研究提供參考。

1 海上浮式風機概述

浮式風機的概念最早由美國Massachusetts 大學的Heronemus 教授于1972 年提出，經(jīng)過幾十年的試驗和探索，全球首個商業(yè)化海上浮式風電場Hywind于2017年12月在英國正式投運[6]。近幾年計劃投產(chǎn)的海上浮式風電場還包括Windfloat Atlantic、Flocan 5 Canary 等[11]。全球計劃投產(chǎn)的海上浮式風電場大部分位于歐洲。中國風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，風電總裝機量位于世界前列，海上浮式風電處于起步階段，位于福建、廣東等地的首批數(shù)個海上風電項目正在開展安裝和試運行工作。海上浮式風機由風機和海洋飄浮平臺組成。飄浮平臺是浮式風機的基礎，包括浮體、錨鏈、錨等主要結(jié)構(gòu)，有半潛式(semi-submersible)、立柱式(spar)、駁船式(barge)、張力腿式(tension-leg platform，TLP)4種基本類型(如圖1所示)[11]，及其組合形成的多種飄浮平臺。其中：半潛式平臺通過不同浮筒吃水體積的變化來獲得保持風機穩(wěn)定的恢復力矩；立柱式平臺的重心低于浮心，從而產(chǎn)生恢復力矩；駁船式平臺與船體類似，通過調(diào)節(jié)吃水線來保持穩(wěn)定；張力腿式平臺的錨索產(chǎn)生張力，使平臺保持穩(wěn)定。海上浮式風機的機身(包括風輪和塔筒)受到風力作用，其飄浮基礎則受到波浪和洋流作用。氣流、波浪和洋流對結(jié)構(gòu)的作用復雜，作用機理各不相同，均可使風機整機產(chǎn)生大幅運動，改變流體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用，可見流體作用通過結(jié)構(gòu)運動相互耦合在一起，進一步增加了風機受力的復雜性，使海上浮式風機動力學分析成為風力發(fā)電和海洋工程交叉領域的研究重點和難點。

圖1 海上浮式風機飄浮平臺的4種基本類型Fig.1 Four types of floater platform of offshore floating wind turbine

2 海上浮式風機機身氣動力學仿真分析

風機機身的氣動力學研究方法主要有葉素動量理論(blade element momentum，BEM)、勢流理論(potential flow， PF) 和計算流體動力學(computational fluid dynamics，CFD)，常用的氣動力學仿真計算的軟件或程序包含了其中一種或幾種方法。如美國國家能源部可再生能源實驗室(National Renewable Energy Laboratory，NREL)的研究人員在開源代碼OpenFOAM 中集成了基于BEM 發(fā)展起來的致動線模型(actuator line model，ALM)程序、雷諾平均NS 方程(Reynolds averaged Navier-Stokes， RANS) 和 大 渦 模 擬(large-eddy simulation，LES)等CFD計算程序，以實現(xiàn)對風電場的氣動力學模擬[12-13]。

任年鑫[14]利用k-ω剪切應力輸運(shear stress transport，SST)湍流模型對海上風機葉片翼型的氣動性能進行了CFD 數(shù)值仿真。周胡等[15-16]利用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和k-ωSST湍流模型，在OpenFOAM平臺上對均勻場和非均勻場中風機葉片的三維擾流場進行非定常CFD仿真計算，分析了葉片的氣動性能。Li 等[17]基于多體動力學和CFD 方法建立了浮式風機氣彈耦合仿真模型，湍流風場的邊界條件和初始條件由Mann風湍流模型給出，還可對所建立的風機多體動力學模型進行擴展，以包含風機機械傳動鏈。Sant 等[18]分別利用BEM、勢流理論中的廣義動態(tài)尾流(generalized dynamic wake，GDW)模型和自由尾流模型(free-wake vortex model，F(xiàn)WVM)仿真分析了5 MW TLP 浮式風機葉輪的推力和功率特性。Wen 等[19]在開源軟件QBlade 中利用勢流理論中的自由渦方法(free vortex method，F(xiàn)VM)分析了NREL 5 MW 浮式風機在靜態(tài)和動態(tài)偏航運行條件下葉片攻角的變化。劉利琴等[20]基于速度勢的非定常面元法理論，考慮海上浮式風機基礎運動引起的風速變化，建立了海上浮式風機的非定常面元法模型，以NREL 5 MW 風機為例研究了基礎運動對風機氣動載荷的影響。Chen等[21]在CFD中采用動態(tài)網(wǎng)格、滑移網(wǎng)格和非定常RANS 方法仿真分析了浮式風機在平臺俯仰和浪涌簡諧運動單一或組合作用下的非定常氣動特性，結(jié)果表明，平臺運動對風機的氣動特性產(chǎn)生了不利影響。Zhou 等[22]考慮葉片周圍的流場細節(jié)和波浪-空氣自由表面的相互作用，利用CFD方法研究了湍流風和剪切風下海上浮式風機的響應，獲得了流場的精細變化及其對風機氣動性能的影響。

BEM簡單、計算量小，在工程計算上應用廣泛，目前氣動分析的常用軟件(如Bladed、SWT等)均包含了BEM。勢流理論包括升力線理論、升力面理論和尾流理論，可以描述風機周圍的三維氣流場，其中GDW 理論的基礎是無黏、不可壓縮流體的Laplace 方程的勢流解。ALM 在BEM的基礎上發(fā)展而來，計算精度比BEM和勢流方法高，能獲得風機尾流場，對網(wǎng)格模型和計算資源的要求比CFD低。CFD能最精確地模擬復雜流場的流動情況和傳統(tǒng)勢流理論無法精確模擬的流體運動，如空氣渦流的變化等，結(jié)合網(wǎng)格技術(shù)還可實現(xiàn)風機氣彈雙向耦合仿真計算，其代價是仿真模型規(guī)模大，對計算資源要求高，一般在超算平臺上進行計算?？紤]漂浮基礎對風機氣動性能的影響時，引入速度的變化，發(fā)展了BEM和勢流理論的非定常分析方法，其中通常預先給定基礎的運動規(guī)律，與基礎的真實運動有一定差距。CFD可實現(xiàn)氣液兩相流分析，氣動性能的仿真無需預先給定基礎運動規(guī)律，通過非定常流體動力學算法和網(wǎng)格處理技術(shù)，進一步增強了模擬真實風浪流環(huán)境的能力。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展以及大型風機對機身氣動性能要求的提高，將會越來越廣泛地應用CFD來獲得更精準的風場信息和高精度的風機氣動力學性能。

3 海上浮式風機飄浮基礎水動力學仿真分析

風機漂浮基礎的水動力學研究方法主要有莫里森公式(Morison’s equation，ME)、勢流理論和CFD。目前海洋工程領域基于三維勢流理論來計算浮式平臺的水動力學性能的軟件有很多，包括SASAM、HYDROSTAR、AQWA 等，海上浮式風機飄浮基礎的水動力學仿真計算工具在此基礎上發(fā)展而來。

Kim 等[23-25]開 發(fā) 了SWIM-MOTION-LINES(SML)模擬工具，用于分析線性或二階頻域波浪作用、錨泊結(jié)構(gòu)非線性作用下飄浮平臺的大幅低頻慢飄運動。Dunbar等[26]在OpenFOAM平臺上開發(fā)了飄浮基礎6 自由度水動力計算模塊，并與FAST 軟件的仿真結(jié)果進行了對比，分析了DeepCWind 半潛式基礎的水動力學性能。Nematbakhsh 等[27]基于CFD 研究了張力腿式浮式風機的完全非線性波浪效應，并與勢流求解器Simo-Riflex 的結(jié)果進行了比較，但模型未包括氣動載荷和風機的氣彈響應。Uzunoglu 等[28]對OC4研究項目參與者采用不同軟件獲得的半潛式浮式風機在無風和白噪聲頻譜的波浪激勵下的縱蕩、垂蕩、俯仰運動和系泊載荷結(jié)果進行了定量分析，比較了利用莫里森公式、勢流理論結(jié)合莫里森公式、勢流理論附加二次阻尼3 種方法計算的漂浮平臺水動力學響應，以及利用不同錨鏈系統(tǒng)模型計算的系泊載荷，結(jié)果表明：勢流理論計算的運動響應結(jié)果較為一致，莫里森公式在共振區(qū)之外的結(jié)果與勢流理論接近，系泊載荷的譜密度受錨鏈模型的影響較大，有限元模型的結(jié)果與準靜態(tài)模型、集中質(zhì)量模型的結(jié)果不同，后兩者的結(jié)果接近。Bruinsma 等[29]利用OC5 研究項目的浮式風機在波浪載荷作用下的試驗數(shù)據(jù)，驗證了由OpenFOAM 的 Navier-Stokes/6-DOF 求 解 器interDyMFoam 與波浪生成工具箱waves2Foam 相結(jié)合形成的、用于浮式風機基礎的流體-結(jié)構(gòu)復雜相互作用仿真的完全非線性數(shù)值波浪水池，發(fā)現(xiàn)了求解器的計算穩(wěn)定性問題，并進一步研究了欠松弛法和預測-校正方法提高算法穩(wěn)定性的效果。Chen 等[30]基于有限差分法開發(fā)了考慮纜繩-海床相互作用和流體動力效應的系泊系統(tǒng)非線性動力學模型，通過OpenMOOR 建立與OC3-Hywind 立柱式浮式風機模型的動態(tài)鏈接，從而建立系泊系統(tǒng)與浮式風機的耦合動力學模型，研究系泊系統(tǒng)的非線性對浮式風機動力學特性的影響。Xu等[31]通過數(shù)值仿真比較線性波浪和完全非線性長冠波浪下OC4 半潛式5 MW 浮式風機飄浮平臺的運動和系泊纜繩的響應，研究波浪非線性效應對浮式風機的影響，其中基于高效場求解器Harmonic Polynomial Cell 在2D 數(shù)值波浪水池中生成完全非線性波浪，然后生成動態(tài)鏈接庫，將波浪運動數(shù)據(jù)導入到DTU 開發(fā)的軟件HAWC2 中對浮式風機進行動力學分析，仿真結(jié)果表明：非線性波浪增大了風機的縱蕩運動和錨索張力，波浪非線性的影響不可忽略。鄧思佳等[32]基于非線性勢流理論和攝動展開技術(shù)，建立了受波浪和系泊系統(tǒng)耦合作用的海上浮式風機基礎二階時域高階邊界元數(shù)值分析模型，研究了OC4-DeepCwind半潛式風機基礎的動力響應，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，某些頻段波浪的非線性效應對響應的影響顯著。Ullah等[33]研究了浮式風機平臺運動時的非線性水靜力剛度。

一般而言，細長結(jié)構(gòu)物的特征尺寸與波長的比重足夠小時，利用莫里森公式計算結(jié)構(gòu)的水動力具有較高的精度。水流對結(jié)構(gòu)的附加質(zhì)量效應和繞射效應大于黏性效應時，需要用三維勢流理論或CFD方法分析結(jié)構(gòu)的水動力性能以達到較高的計算精度。CFD 方法的計算精度最高，可以獲得復雜海況下飄浮平臺的水動力，如自由液面的變化、平臺脫流、波浪撞擊和破碎等。利用2D或3D波浪和洋流模型對包含系泊結(jié)構(gòu)在內(nèi)的飄浮基礎進行水動力學仿真計算，仿真模型的規(guī)模巨大，難以計算，而且考慮波浪和洋流的非線性效應時，容易產(chǎn)生計算穩(wěn)定性問題，使得飄浮基礎準確高效的水動力學仿真分析成為難點，這一難點在CFD 方法中尤為突出。對于大部分浮式風機漂浮基礎的水動力學耦合計算，浮體和錨鏈系統(tǒng)采用不同研究方法和模型，通過動態(tài)數(shù)據(jù)鏈接將水動力傳遞到漂浮基礎計算模塊，很大程度上縮小了模型、提高了計算穩(wěn)定性，開發(fā)具有復雜功能的水動力學耦合計算子模塊和提高計算精度是目前的研究重點和發(fā)展方向之一。CFD 方法可集成到子模塊中或?qū)⒏◇w和錨鏈系統(tǒng)建立在一個流體域中計算水動力，容易實現(xiàn)變工況和非定常分析，因此該方法是海上浮式風機動力學仿真分析的重要發(fā)展方向之一。

4 海上浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真分析

4.1 海上浮式風機耦合動力學仿真分析方法

海上浮式風機的機身所受的氣動力和飄浮基礎所受的水動力，通過風機整機耦合在一起相互影響，共同決定了風機的運動。固定式風機的空氣動力學和海洋工程飄浮平臺的水動力學的傳統(tǒng)分析方法在各自領域內(nèi)均較為成熟，但浮式風機的風浪流結(jié)構(gòu)耦合作用難以統(tǒng)一到這些傳統(tǒng)成熟的分析方法中，如由平臺運動引入的風機葉片運動速度分量的非定常特性不滿足BEM的動量平衡假設，導致浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)的耦合動力學分析成為一大難題。目前，海上浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真分析的方法是將成熟的氣動分析模塊、波浪分析模塊、洋流分析模塊和結(jié)構(gòu)分析模塊通過模塊間的數(shù)據(jù)傳遞和交換來實現(xiàn)耦合計算。表1 給出了幾種海上浮式風機耦合動力學仿真分析軟件[34]。

表1 海上浮式風機耦合動力學仿真分析軟件Tab.1 Softwares for coupled dynamic simulation analysis of offshore floating wind turbine

4.2 海上浮式風機耦合動力學仿真技術(shù)開發(fā)

Jonkman 等[35]集成FAST、AeroDyn、HydroDyn等軟件開發(fā)了水動力-氣動力-結(jié)構(gòu)動力學全耦合模擬工具，對駁船式浮式風機進行了受力分析。Quallen 等[36]對OC3 Hywind 模型進行CFD 兩相流仿真計算，利用準靜態(tài)方法對錨泊進行模擬計算，并與FAST軟件的計算結(jié)果進行了比較。Tran等[37]分別利用CFD的重疊網(wǎng)格技術(shù)和FAST軟件中的非定常葉素動量理論，對飄浮平臺周期性運動的浮式風機的氣動力和水動力進行了計算。李鵬飛等[38-39]考慮浮式基礎的6 自由度運動引起的風機葉片運動速度分量，在ALM的基礎上提出了一種非穩(wěn)態(tài)致 動 線 模 型(unsteady ALM， UALM)， 并 在OpenFOAM 平臺上利用兩相流求解器naoe-FOAM-SJTU 和UALM 對浮式風機的動力學進行數(shù)值仿真，研究了周期性縱蕩和縱搖運動時風機的推力、輸出功率、尾渦結(jié)構(gòu)。Li 等[40]基于OpenFOAM 平臺開發(fā)了求解器FOWT-UALMSJTU，用于浮式風機水動-氣動-錨鏈系統(tǒng)耦合動力學仿真分析。Huang等[41]利用該求解器對spar型浮式風機進行氣動力-水動力耦合仿真分析，研究風浪聯(lián)合作用下風機的非定常氣動力和基礎的不同方向運動的相互影響。鄭建才等[42]利用該求解器實現(xiàn)了平臺水動力、風機氣動載荷和錨鏈系泊系統(tǒng)載荷的耦合計算，分析了垂蕩板形狀對OC3-Hywind spar NREL 5 MW 風機耦合響應的影響。Wang 等[43]采用開發(fā)的Simo-Riflex-DMS 求解器進行非線性時域仿真計算，分析了不同環(huán)境下的5 MW 垂直軸浮式風機的隨機動力響應。閆發(fā)鎖等[44]基于FAST開發(fā)了浮體、錨泊和風機子系統(tǒng)的水動力-氣動力全耦合數(shù)值計算程序，水動力計算采用二階精度的混合波浪模型的莫里森公式，通過模塊間的載荷和位移數(shù)據(jù)的傳遞形成完全耦合，研究了5 MW spar 浮式風機的動力學響應特點。Cheng[45]開發(fā)了Simo-Riflex-AC耦合求解器，用于對垂直軸浮式風機進行建模和仿真計算。Barooni等[46]開發(fā)了浮式風機動力學數(shù)值仿真分析模型，考慮了風輪空氣動力學、風機的多體動力學模型、波浪和洋流的動力學，以及系泊纜繩動力學。翟佳偉等[47]對FAST進行二次開發(fā)，引入了渦激力計算接口，假設流體處于穩(wěn)定流動的狀態(tài)，利用莫里森公式計算水動力，實現(xiàn)了對平臺渦激、波激、氣動力及系泊聯(lián)合作用下spar 浮式風機系統(tǒng)的運動響應計算。

4.3 海上浮式風機耦合動力學特性仿真分析

Liu 等[48]基于OpenFOAM 軟件仿真分析了不同的浮式平臺運動對風機推力和扭矩的影響。Zhu 等[49]利用Javafoil、WAMIT、SimMechanics 等軟件對所設計的一種籠罩型葉輪浮式風機進行了氣動-水動-結(jié)構(gòu)-控制耦合動力學建模和仿真分析，其中葉片為剛體模型，風引起的海洋狀態(tài)特征由MPM譜描述，波浪載荷基于力響應幅值算子計算。Ma等[50]考慮風浪流耦合作用，基于AQWA模擬浮式風機的流體動力學特性和耦合效應，利用廣義模態(tài)法處理結(jié)構(gòu)和流體的相互作用，仿真分析了TLP 和Serbuoys-TLP 浮式風機的響應，結(jié)果表明，Serbuoys-TLP 能有效地抑制風機的縱蕩運動。Ye 等[51]建立了立柱式浮式風機的剛體動力學模型，包括飄浮平臺、塔筒和直驅(qū)傳動鏈，利用兩端自由邊界條件，研究了浮式風機在波浪、洋流、風和系泊系統(tǒng)激勵下的動力學響應，結(jié)果表明，傳動鏈和飄浮平臺之間的相互作用對風機的動力學響應影響很大。Li等[52]在氣動力-水動力耦合計算軟件FAST 上建立了DeepCWind 半潛式浮式風機的氣動-水動-控制-彈性結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真模型，研究了湍流風場的風剪切、湍流強度和黏性因素對風機動力學響應的影響。

丁紅巖等[53]在FAST 平臺上利用氣動力-水動力-控制系統(tǒng)-風機結(jié)構(gòu)動力耦合非線性方法，仿真分析了不同海況下全潛式浮式風機的變槳系統(tǒng)故障所引起的風機運動響應，其中不規(guī)則隨機波浪利用JONSWAP譜生成。李英等[54]利用FAST對風浪耦合作用下的TLP 浮式風機的動力學響應進行了時域仿真計算，結(jié)果表明，風和二階波浪力的耦合作用不僅增大了浮式基礎縱蕩、橫搖和艏搖運動，也增大了筋腱頂張力幅值。趙永生[55]提出了一種新型的多立柱張力腿式浮式風機概念，建立了包含機身、系泊基礎、控制系統(tǒng)的概念風機全耦合動力學模型，并通過比較水池模型試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果驗證了數(shù)值仿真模型的有效性。陳嘉豪等[56]利用模型試驗和自主開發(fā)的氣動-水動-結(jié)構(gòu)-控制耦合時域仿真程序DARwind計算相結(jié)合的方法，研究了OC4-DeepCWind半潛式浮式風機的氣動阻尼特性及其作用規(guī)律。蔡恒等[57]建立了風浪聯(lián)合作用下浮式風機的時域運動方程，基于三維線性頻域勢流理論和脈沖響應函數(shù)方法計算了浮式風機所受的時域波浪力，并用CFD仿真得到了黏性阻尼系數(shù)。Leimeister 等[58]以OC3 spar 浮式風機的計算數(shù)據(jù)為例，驗證了軟件MoWiT (Modelica for Wind Turbines)對風機氣動力-水動力-控制-結(jié)構(gòu)彈性完全耦合仿真分析的能力。Ma 等[59]對OC3-Hywind spar NREL 5 MW浮式風機進行了動力學仿真，其中空氣動力采用BEM 計算，水動力在ANSYS AQWA 中采用三維勢流理論計算，錨鏈采用集中質(zhì)量模型，結(jié)果表明，所提出的新型錨鏈系統(tǒng)對浮式風機的水平運動和俯仰運動都產(chǎn)生了有效的抑制作用。Zhou等[60]利用在OpenFOAM 基礎上開發(fā)的氣動力-水動力-錨鏈CFD 求解器，仿真研究了波浪種類和波浪陡度對浮式風機水動力學/氣動力學的影響。OC6 研究項目的仿真數(shù)據(jù)和實驗測量數(shù)據(jù)表明，CFD 提供了高精度的動力學仿真模型，克服了中精度模型(如二階勢流理論模型)對低頻動力學響應的預測不足，對于非線性差頻激勵的響應預測與實驗結(jié)果相符[61]。

4.4 海上浮式風機耦合動力學控制仿真分析

在海上浮式風機動力學的控制仿真分析方面，學者們也開展了大量的研究工作。Pustina 等[62]建立了波浪擾動下海上浮式風機的氣動力-水動力-控制完全耦合的動力學模型，風機為多剛體模型，水動力由勢流求解器計算，其中考慮了波浪的自由表面變形效應，控制器以槳距角和發(fā)電機扭矩為控制變量，仿真結(jié)果表明，控制器在一段寬頻范圍內(nèi)有效地抑制了輸出功率和結(jié)構(gòu)載荷的波動。Han 等[63]提出利用風輪推力來控制浮式風機基礎在浪涌和搖擺方向的位置，以減小風機尾流損失、獲取最大的風電場功率為目標，設計了線性-二次-積分控制器，在FAST 軟件中對5 MW 風機進行了仿真分析，結(jié)果表明，控制器的控制效果令人滿意。Sarkar等[64]針對spar型浮式風機，提出了一種新的獨立變槳控制策略，很好地兼顧了調(diào)整功率和減小結(jié)構(gòu)載荷這一對通常有一定程度的矛盾目標，將該策略與仿真軟件FAST 中的標桿控制器進行了比較，結(jié)果表明，該策略在風浪聯(lián)合作用環(huán)境中具有更好的控制性能。Roh 等[65]利用FAST 和MATLAB/Simulink 聯(lián)合仿真，分析了不同變槳控制器對NREL 5 MW 風機和OC4 半潛式基礎組成的浮式風機模型的影響，結(jié)果表明，海上浮式風機的獨立變槳控制顯著地降低了輸出功率和基礎運動的變化幅度。Park等[66]在FASTv8中開發(fā)了浮式風機的結(jié)構(gòu)控制模塊，考慮非線性動力學，通過多目標優(yōu)化來選擇機艙上的被動正交調(diào)諧液柱阻尼器的設計參數(shù)，分析了阻尼器減小風機前后方向和左右方向的運動及相應的結(jié)構(gòu)疲勞載荷和極限載荷的效果。Ghabraei等[67]考慮TLP風機的水動力附加質(zhì)量和減振器質(zhì)量引起的質(zhì)量變化，建立了風機的垂向非線性動力學模型，通過與FASTv8 仿真結(jié)果的比較驗證了模型的有效性，利用攝動法得到了非線性動力學方程的近似解，分析了質(zhì)量變化對基礎振動、風機塔筒振動和結(jié)構(gòu)疲勞載荷的影響，對浮式風機的基礎設計和減振器的設計、優(yōu)化提出了建議。

通過海上浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真能夠更加全面地了解氣動力、水動力與風機結(jié)構(gòu)之間相互作用的規(guī)律，對于海上風機的設計優(yōu)化、動力學性能和發(fā)電性能分析與預測、運行過程中的健康監(jiān)測與維護等具有重要意義。目前，海上浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真計算采用模塊耦合的方法，氣動力計算主要基于BEM方法和勢流理論，水動力計算主要基于莫里森公式和勢流理論，而這并未消除各方法的不足，因此該方法存在一定的局限性，適用于中低精度的仿真。在風與波浪聯(lián)合作用于風機的仿真分析中，通常預先給定了風向和波浪運動方向的角度，與真實環(huán)境存在一定差距。海面風與波浪具有一定的相互作用，風向和波浪運動方向變化也比較復雜。CFD 方法的氣液兩相流模型可將風浪流及其相互作用放在一個流體域計算，能更好模擬真實環(huán)境，仿真計算精度比其他方法高，是目前浮式風機動力學仿真方法的重要發(fā)展方向之一。浮式風機基礎的大幅度運動帶動葉片和塔筒產(chǎn)生大幅度剛性運動，疊加結(jié)構(gòu)本身的彈性振動，使得結(jié)構(gòu)周圍的流場變化復雜，且彈性振動頻率較高，需要較小的求解計算步長，增加了風機氣彈仿真分析的難度。彈性振動將使結(jié)構(gòu)的疲勞壽命大為縮短，這一問題對于具有大功率和大尺寸葉片的浮式風機更為突出，因此也是浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真分析考慮的重點之一。浮式風機控制的目標主要是使捕獲的風功率質(zhì)量更高(即更大、更平穩(wěn))，結(jié)構(gòu)受到的載荷更小，控制的方法主要有主動變槳控制(如獨立變槳控制)和利用阻尼器的主被動控制，利用更高精度的動力學模型、平衡兼顧綜合多個控制目標、多種控制方法相結(jié)合，預計能夠取得更好的控制效果?？傊?，目前已形成的海上浮式動力學仿真方法、技術(shù)以及已取得的大量仿真分析結(jié)果對海上浮式風機的設計開發(fā)具有重要作用，但在海上浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真方面，計算精度高、計算效率快、成熟的一體化仿真方法和工具尚待開發(fā)。

5 結(jié)論

海上風能蘊含量大，向海洋特別是深遠海進軍來獲取風能是減少碳排放的必然之舉。海上浮式風機作為其中的關鍵基礎發(fā)電裝備，盡管已有少數(shù)實現(xiàn)商業(yè)化運行，但技術(shù)遠未成熟，目前其研究開發(fā)正受到工業(yè)界和學術(shù)界的高度重視。由于數(shù)值仿真具有成本低、周期短、適應范圍廣等優(yōu)點，其在海上浮式風機的研發(fā)中必不可少，處于非常重要的地位。對近年來海上浮式風機動力學仿真分析研究進展進行了簡要回顧，得到的主要結(jié)論如下：

1）海上浮式風機機身氣動力學仿真分析軟件大部分基于BEM和勢流理論，飄浮基礎水動力學仿真分析軟件則大部分基于莫里森公式和勢流理論，通過與結(jié)構(gòu)動力學分析模塊結(jié)合，建立中低精度的模型來實現(xiàn)浮式風機風浪流結(jié)構(gòu)耦合動力學仿真。

2）CFD方法對計算資源的要求很高，但能夠模擬更為真實的浮式風機環(huán)境，給出更為精確的動力學仿真結(jié)果，與實驗測量數(shù)據(jù)更相符，如低頻非線性動力學響應的仿真結(jié)果，CFD 在浮式風機動力學仿真分析上的應用將會越來越廣泛。

3）隨著海上浮式風機往大功率和大尺寸葉片方向發(fā)展，以及復雜的風浪流工作環(huán)境帶來的非線性因素，浮式風機流體與彈性結(jié)構(gòu)的耦合動力學仿真分析和非線性動力學仿真分析將會進一步發(fā)展，動力學控制仿真研究也將隨著浮式風機仿真方法和技術(shù)的發(fā)展而加深。

4）開發(fā)計算精度高、計算效率快、計算穩(wěn)定性好的仿真方法和工具，建立精度更高和更適合工程應用的動力學模型，以及開展更深入的動力學特性研究，將極大地促進海上浮式風機的發(fā)展。