李榮富，翟恩地，方 龍，陳小海，章麗駿，張子檀，李 曄

（1.新疆金風(fēng)科技股份有限公司，北京 100176；2.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

0 序 言

隨著全球近海固定式風(fēng)力機(jī)裝機(jī)容量的增加，近?？砷_發(fā)的風(fēng)資源越來越少，各國都將目光投向深遠(yuǎn)海的風(fēng)資源。因此，海上風(fēng)力機(jī)技術(shù)也從近海的固定式走向深遠(yuǎn)海的浮式風(fēng)力機(jī)技術(shù)。近年來，國際上眾多試點(diǎn)浮式風(fēng)力機(jī)和風(fēng)場(chǎng)的建立及運(yùn)行（圖1），進(jìn)一步證明了大型海上浮式風(fēng)力機(jī)技術(shù)的可行性以及可觀的前景。從傳統(tǒng)海洋油氣工程借鑒而來的半潛、單柱、張力腿和駁船等平臺(tái)，都被嘗試用來作為風(fēng)力機(jī)的浮式基礎(chǔ)。不過，目前在市場(chǎng)上尚未有統(tǒng)一的、認(rèn)可度較高的一體化機(jī)型和平臺(tái)形式。

圖1 現(xiàn)有浮式風(fēng)力機(jī)及風(fēng)電場(chǎng)Fig.1 Existing floating offshore wind turbines and farms

對(duì)于浮式風(fēng)力機(jī)的研究，現(xiàn)階段主要的技術(shù)手段依舊是數(shù)值模擬[1]和縮尺模型水池試驗(yàn)[2]。水池模型試驗(yàn)相對(duì)于數(shù)值模擬具有可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，可作為數(shù)值模擬研究的驗(yàn)證，相對(duì)于實(shí)尺度樣機(jī)海試，又具有成本低、可重復(fù)性高、工況可控性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，近十年間，國際上開展了很多漂浮式風(fēng)力機(jī)的縮尺模型試驗(yàn)，如表1 所示。緬因大學(xué)聯(lián)合荷蘭海洋研究所（MARIN）對(duì)基于美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的5 MW 風(fēng)力機(jī)按1:50 縮尺的單柱型、半潛型以及張力腿型的浮式風(fēng)力機(jī)模型進(jìn)行了水池風(fēng)浪試驗(yàn)[3-5]。此外，韓國的慶尚大學(xué)、濟(jì)州大學(xué)和意大利的米蘭理工大學(xué)的學(xué)者也對(duì)浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了水池縮尺模型試驗(yàn)[6-8]。這些工作雖有借鑒意義，但由于中國近海海域海況的特殊性，無法直接用于中國海況下的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)和分析。

表1 國外浮式風(fēng)力機(jī)縮尺模型試驗(yàn)現(xiàn)狀Tab.1 Review of floating offshore wind turbine experiments abroad

我國作為海上風(fēng)電資源大國，對(duì)于浮式風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)的研究起步較晚，以天津大學(xué)與上海交通大學(xué)為代表的單位開展了浮式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)研究。針對(duì)半潛式與單柱型浮式平臺(tái)，基于NREL 5MW 概念風(fēng)力機(jī)葉片，研究了實(shí)驗(yàn)方法和測(cè)試技術(shù)，設(shè)計(jì)并完成了浮式風(fēng)力機(jī)縮尺模型的水池試驗(yàn)[18-20]。以上試驗(yàn)研究大多基于北歐波譜，或是基于常規(guī)理想翼型。目前，針對(duì)基于中國的真實(shí)海況所設(shè)計(jì)的風(fēng)力機(jī)機(jī)型而進(jìn)行的縮尺模型試驗(yàn)研究還較少。

為了研制適合我國海況的商用浮式風(fēng)力機(jī)，本研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合金風(fēng)科技和上海交通大學(xué)，于2015年針對(duì)按照我國南海真實(shí)海況設(shè)計(jì)了6 MW 浮式風(fēng)力機(jī)，并在荷蘭MARIN 水池完成縮尺模型水池試驗(yàn)研究工作。對(duì)于浮體，基于以往國際研發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，一般半潛式浮式風(fēng)力機(jī)適用于水深在100 m 以內(nèi)的海域，而Spar 型基礎(chǔ)適用于水深超過100 m 的較深海域[21-22]?？v觀我國沿海一帶，廣東以及南海海域有較好的資源條件，而近海地區(qū)的深水域有別于國外海域，不具有百米以上的深度，所以半潛式基礎(chǔ)的浮式風(fēng)力機(jī)更能適應(yīng)我國特殊的近海況。因此，本研究團(tuán)隊(duì)選取了半潛式平臺(tái)作為本研究風(fēng)力機(jī)的浮式基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案及模型設(shè)計(jì)

本文所述水池模型試驗(yàn)主要包括試驗(yàn)場(chǎng)所風(fēng)浪環(huán)境參數(shù)校核、水流對(duì)浮體阻力測(cè)量、固定式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)以及漂浮式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)。本章將從試驗(yàn)方案、縮尺相似準(zhǔn)則的選取、葉片及浮體模型的設(shè)計(jì)三個(gè)方面對(duì)水池模型試驗(yàn)的縮尺風(fēng)力機(jī)模型設(shè)計(jì)的理論及結(jié)果進(jìn)行敘述。

1.1 試驗(yàn)方案概述

在水池進(jìn)行風(fēng)力機(jī)的模型試驗(yàn)，主要分為三個(gè)階段（圖2）：第一階段是試驗(yàn)的前期準(zhǔn)備及校驗(yàn)性試驗(yàn)階段，主要包括風(fēng)力機(jī)縮尺模型的設(shè)計(jì)及加工、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及驗(yàn)證、試驗(yàn)傳感器布置與標(biāo)定、造風(fēng)設(shè)備標(biāo)定、造浪設(shè)備標(biāo)定、浮式結(jié)構(gòu)物靜水自由衰減試驗(yàn)以及白噪聲試驗(yàn)；第二階段是常規(guī)試驗(yàn)階段，主要分為在海洋水池進(jìn)行的多種風(fēng)浪組合下的固定式及漂浮式風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)；第三階段式是特殊工況試驗(yàn)階段，實(shí)際浮式風(fēng)力機(jī)在南海運(yùn)行時(shí)還將遇到一些特殊海況的作用，需要對(duì)浮體平臺(tái)進(jìn)行水流阻力試驗(yàn)，限于一般海洋水池水流循環(huán)系統(tǒng)的造流條件、造流質(zhì)量的不足，水流阻力試驗(yàn)在拖曳水池進(jìn)行。

圖2 浮式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)流程圖Fig.2 Flow chart of floating offshore wind turbine’s model test

1.2 縮尺相似準(zhǔn)則

在水池中進(jìn)行浮式風(fēng)力機(jī)縮尺模型試驗(yàn)，需要滿足縮尺模型與原型風(fēng)力機(jī)之間的幾何相似、動(dòng)力相似和剛度相似。在綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)環(huán)境的條件后，最終以弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則作為試驗(yàn)縮尺條件。雖然雷諾數(shù)不能完全相似，但是在本次試驗(yàn)中通過改變翼型及增加葉片表面粗糙度等方法以提高雷諾數(shù)，使得雷諾數(shù)更接近相似，或者是在變化趨勢(shì)上與原尺度樣機(jī)一致。本次試驗(yàn)的原型機(jī)為一種6 MW 的三浮筒型半潛式浮式風(fēng)力機(jī)，受試驗(yàn)場(chǎng)所空間及造風(fēng)、造浪條件限制，本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比選為1:55。基于弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則以及幾何相似關(guān)系，縮尺模型與原型浮式風(fēng)力機(jī)各物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如表2 所示，其中λ=55，γ=ρs/ρm，ρs為風(fēng)力機(jī)實(shí)際工作海域海水密度，ρm為風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)水池水密度。根據(jù)幾何相似將上述由本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的6 MW 浮式風(fēng)力機(jī)按1:55 縮尺比進(jìn)行縮尺，縮尺后試驗(yàn)尺度模型（圖3）的各參數(shù)如表3所示。

圖3 6 MW級(jí)商用風(fēng)力機(jī)水池試驗(yàn)縮尺模型Fig.3 Scaled experimental model of the 6 MW wind turbine

表2 水池縮尺模型與原型浮式風(fēng)力機(jī)各物理量之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系Tab.2 Relationship between physical quantities of experimental model and prototype floating wind turbine

表3 浮式風(fēng)力機(jī)水池試驗(yàn)縮尺模型參數(shù)（單位：m）Tab.3 Parameters of scaled floating offshore wind turbine model

1.3 葉片模型設(shè)計(jì)

本研究水池試驗(yàn)的浮式風(fēng)力機(jī)模型（圖3）葉輪由三個(gè)葉片組成，葉片縮尺滿足幾何相似以及推力相似，每個(gè)葉片展長(zhǎng)為1.42 m。模型葉片按截面形狀分為圓柱段、過渡段和DU25翼型段，選用碳纖維材料按推力相似加工而成，每個(gè)葉片重約266 g（圖4）。

圖4 6 MW級(jí)商用風(fēng)力機(jī)葉片縮尺模型Fig.4 Scaled experimental blade model of the 6 MW wind turbine

對(duì)光滑表面的翼型進(jìn)行吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)，分別在雷諾數(shù)為2.0×105、1.7×105、1.5×105和1.0×105時(shí)，測(cè)試了小攻角下翼型表面的層流分離現(xiàn)象，特別是在1.0×105雷諾數(shù)時(shí)，小攻角下翼型即發(fā)生嚴(yán)重的層流分離現(xiàn)象，使得升力-攻角曲線沒有線性比例關(guān)系的區(qū)域。

為了解決小攻角下翼型層流分離的問題，在葉片前緣附近增加Z形帶貼片，將層流強(qiáng)制轉(zhuǎn)捩為湍流，這樣可以有效抑制層流分離的問題。將改進(jìn)后的葉片的推力系數(shù)CT相對(duì)于葉尖速比TSR 的變化曲線與實(shí)尺度葉片的CT-TSR 曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩曲線比較接近（圖5），證明了改進(jìn)后模型尺度的葉片的氣動(dòng)推力滿足水池試驗(yàn)要求。

圖5 模型尺度與實(shí)尺度葉片CT隨TSR變化曲線對(duì)比Fig.5 CT versus TSR of model scale and full scale blade

1.4浮體模型設(shè)計(jì)

浮體部分的試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶凑諑缀蜗嗨七M(jìn)行縮尺，滿足弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則，并對(duì)浮體進(jìn)行了表面粗糙處理。浮體部分（圖6）外側(cè)三個(gè)立柱由質(zhì)量較輕的泡沫塑料材質(zhì)構(gòu)成，浮體中間是挖空設(shè)計(jì)，以方便在水池試驗(yàn)前通過添加壓載物質(zhì)對(duì)平臺(tái)的吃水、重量分布等進(jìn)行調(diào)節(jié)。中間圓柱立柱表面設(shè)計(jì)有網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸對(duì)應(yīng)原型模型是1 m，即在縮尺模型中的尺寸為1.82 cm，這主要是用來從視頻中獲取氣隙及波浪撞擊浮體的狀態(tài)。浮體各主要參數(shù)如表4 所示。風(fēng)力機(jī)塔架安裝于中心立柱上，立柱同樣為整個(gè)浮式風(fēng)力機(jī)提供浮力，中心立柱選用圓柱型，其橫截面直徑為0.115 m。為減緩浮式風(fēng)力機(jī)在風(fēng)浪作用下的晃蕩，浮式平臺(tái)三個(gè)主浮筒下方設(shè)計(jì)安裝有阻尼板。整個(gè)浮式平臺(tái)安裝完工后的總重量為55.8 kg，平臺(tái)用9 條系泊線系泊在池底，每根外柱3 條系泊線，在系泊線與池底接觸部位安裝有小彈簧，以調(diào)節(jié)系泊線的剛度。每根系泊線纜松弛狀態(tài)的長(zhǎng)度為9.818 m，單位長(zhǎng)度質(zhì)量為0.054 kg/m，剛度為274.38 kN/m。

圖6 浮式風(fēng)力機(jī)水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶霛撌礁∈狡脚_(tái)模型圖Fig.6 Floating platform model of the scaled floating offshore wind turbine

表4 浮式風(fēng)力機(jī)縮尺模型各主要參數(shù)Tab.4 Parameters of floating wind turbine model

2 試驗(yàn)實(shí)施

為研究此浮式風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)在南海的工作情況，此次水池試驗(yàn)對(duì)三立柱半潛浮式風(fēng)力機(jī)在風(fēng)浪作用下的氣動(dòng)載荷響應(yīng)、水動(dòng)載荷響應(yīng)以及平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)定。本章將從試驗(yàn)場(chǎng)所、測(cè)量裝備的布置以及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)三方面對(duì)本浮式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)進(jìn)行闡述。

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)所

此試驗(yàn)的風(fēng)浪試驗(yàn)部分在荷蘭MARIN 海洋水池進(jìn)行，該水池長(zhǎng)44.35 m、寬35.6 m（圖7），同時(shí)配備有可升降式假底與一個(gè)寬24 m 可移動(dòng)的造風(fēng)設(shè)備（圖8）。水池南側(cè)及西側(cè)安裝有造波裝置，通過調(diào)節(jié)各造波板的造波參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)從正北至正東方向沿順時(shí)針90°范圍內(nèi)任意方向的波浪，水池的北側(cè)及東側(cè)安裝有消波裝置。造風(fēng)裝置安裝于水池西南角的上方，造風(fēng)裝置位置及角度可以調(diào)節(jié)，同樣可以產(chǎn)生正北至正東方向沿順時(shí)針90°范圍內(nèi)任意方向的風(fēng)。本次試驗(yàn)中生成的最大有義波高為0.164 m，最高風(fēng)速為5.88 m/s。由于海洋水池造流質(zhì)量不高，因此此試驗(yàn)浮體受水流阻力測(cè)試部分在MARIN 淺水拖曳水池中進(jìn)行，該水池長(zhǎng)220 m、寬15.8 m、水深約1.1 m（圖9），拖車最大拖曳速度為4 m/s。

圖7 MARIN海洋水池示意圖Fig.7 Sketch map of MARIN’s offshore basin

圖8 MARIN海洋水池造風(fēng)裝置Fig.8 Wind generator in MARIN’s offshore basin

圖9 MARIN淺水拖曳水池示意圖Fig.9 Sketch map of MARIN’s shallow water basin

2.2 測(cè)量裝備及其布置方案

為獲得完整的風(fēng)、浪等環(huán)境參數(shù)及扭矩、推力、位移等浮式風(fēng)力機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)，在本次浮式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)中，需要測(cè)定的物理量包括：造風(fēng)設(shè)備出風(fēng)口風(fēng)速、機(jī)艙位置處風(fēng)速、塔筒底端風(fēng)速、風(fēng)力機(jī)葉輪氣動(dòng)推力、風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)軸扭矩、機(jī)艙運(yùn)動(dòng)加速度、風(fēng)力機(jī)六自由度運(yùn)動(dòng)參數(shù)、風(fēng)力機(jī)對(duì)塔筒底端的作用力、系泊線拉力等。因此，如圖10 所示，在距離造風(fēng)設(shè)備出風(fēng)口1.05 m 處安裝一個(gè)風(fēng)速儀，用以測(cè)定出風(fēng)口風(fēng)速。在塔筒頂端及底端分別安裝一個(gè)風(fēng)速儀，用以測(cè)定葉輪后方葉根處及葉尖處風(fēng)速。在機(jī)艙安裝六分力儀，用以測(cè)定主軸扭矩以及葉輪推力。在機(jī)艙下方安裝加速度傳感器，用以測(cè)定風(fēng)力機(jī)機(jī)艙在運(yùn)行過程中的各向加速度值。在浮筒上安裝光標(biāo)，通過位移捕獲系統(tǒng)來獲得平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。對(duì)于在淺水拖曳水池開展的浮體受水流阻力測(cè)量試驗(yàn)，主要在浮體與拖車鏈接處安裝六分力傳感器，用以測(cè)量浮體受力及扭矩的大小。

圖10 水池浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)中主要傳感器的安裝位置Fig.10 Installation position of main sensors in the model test

3 典型試驗(yàn)工況結(jié)果分析

本文所述水池模型試驗(yàn)涉及了多種風(fēng)、浪、流組合工況。在拖曳水池阻力試驗(yàn)階段，對(duì)兩個(gè)流速及5個(gè)入流角度進(jìn)行了拖曳試驗(yàn)。在海洋水池試驗(yàn)階段，在風(fēng)況上選取了無風(fēng)和4個(gè)風(fēng)速、3個(gè)風(fēng)湍流度組合的定常風(fēng)場(chǎng)以及一種交變風(fēng)場(chǎng)，在流況上選取了無流及兩種流速流場(chǎng)，在波況上選取了5種波高下的JONSWAP 波浪譜和兩種白噪聲波浪。由于本文是對(duì)浮式風(fēng)力機(jī)水池縮尺模型風(fēng)浪實(shí)驗(yàn)的一個(gè)概述，本章僅針對(duì)幾個(gè)典型試驗(yàn)工況進(jìn)行分析和展示，包括一個(gè)定常風(fēng)速下的固定式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)、一個(gè)定常風(fēng)與一種規(guī)則波組合工況下的浮式風(fēng)力機(jī)葉輪氣動(dòng)載荷響應(yīng)試驗(yàn)以及浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)。

3.1 風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力結(jié)果分析

（1）固定式風(fēng)力機(jī)模型

在風(fēng)速為11.31 m/s的定常風(fēng)場(chǎng)中，對(duì)葉片槳距角4°的固定式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了水池模型試驗(yàn)。試驗(yàn)中風(fēng)力機(jī)葉輪平均轉(zhuǎn)速為1.152 rad/s。通過安裝于風(fēng)力機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的六分力儀及扭矩傳感器對(duì)葉輪的氣動(dòng)載荷(扭矩及推力)進(jìn)行測(cè)定，并得到了葉輪推力系數(shù)CT。為保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性及普遍性，截取了試驗(yàn)數(shù)據(jù)中間穩(wěn)定的一段，并以每四個(gè)周期為一個(gè)大周期，且對(duì)多個(gè)該大周期下的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合及過濾，最終得到了一個(gè)以時(shí)間t為初始時(shí)間的擁有四個(gè)周期的葉輪推力系數(shù)CT的時(shí)歷曲線（圖11）。由于本文所述時(shí)歷曲線由試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定段的多周期數(shù)據(jù)疊加求均值產(chǎn)生，因此時(shí)歷曲線的初始值無法確定為某個(gè)特定的具體時(shí)間量，因而引入可變參數(shù)t代表該段時(shí)歷曲線的初始時(shí)間。

圖11 固定式風(fēng)力機(jī)葉輪氣動(dòng)載荷響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.11 Time history curves of aerodynamic load response for fixed wind turbine test

（2）在規(guī)則波工況下浮式風(fēng)力機(jī)模型

在風(fēng)速為11.31 m/s 的定常風(fēng)場(chǎng)中，以及在規(guī)則波下（波高：2.51 m；波頻：0.1246 Hz；浪向：與風(fēng)同向），對(duì)葉片槳距角為4°的浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了水池模型試驗(yàn)。本次試驗(yàn)中風(fēng)力機(jī)葉輪平均轉(zhuǎn)速為1.257 rad/s。通過安裝于風(fēng)力機(jī)機(jī)艙內(nèi)部的六分力儀對(duì)葉輪的氣動(dòng)推力進(jìn)行了測(cè)定，并得到了葉輪推力系數(shù)CT（圖12），CT的均值為0.671。而在葉尖速比為9.0的條件下，風(fēng)力機(jī)原型樣機(jī)的葉輪推力系數(shù)CT的值為0.672。由此可見，按推力相似設(shè)計(jì)的葉片，其在試驗(yàn)中得到的葉輪推力系數(shù)值與理論值接近，能夠較好地在水池風(fēng)浪環(huán)境下模擬浮式風(fēng)力機(jī)承受的水平氣動(dòng)載荷。

圖12 規(guī)則波下浮式風(fēng)力機(jī)葉輪氣動(dòng)載荷響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.12 Time history curves of aerodynamic load response for floating wind turbine test under regular wave

分別對(duì)比3.2節(jié)的固定式風(fēng)力機(jī)以及此處的浮式風(fēng)力機(jī)對(duì)應(yīng)的系數(shù)變化曲線，可見漂浮式風(fēng)力機(jī)由于平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)等因素的影響，其氣動(dòng)載荷隨時(shí)間變化幅度較大。且固定式風(fēng)力機(jī)的葉輪推力系數(shù)CT的時(shí)均值為0.564，可見在水池試驗(yàn)尺度及環(huán)境下，浮式風(fēng)力機(jī)受到的葉輪推力較固定式風(fēng)力機(jī)大。

（3）在不規(guī)則波工況下浮式風(fēng)力機(jī)模型

對(duì)葉片槳距角為4o的浮式風(fēng)力機(jī)在定常風(fēng)（風(fēng)速11.3 m/s）及不規(guī)則波下（有義波高：5.1 m；譜峰周期：12.2 s；浪向：與風(fēng)同向）進(jìn)行水池風(fēng)浪耦合模型試驗(yàn)，試驗(yàn)中風(fēng)力機(jī)葉輪平均轉(zhuǎn)速為1.256 rad/s。與規(guī)則波同樣地得到了葉輪推力系數(shù)CT（圖13），CT的均值為0.735。對(duì)比圖12 與圖13 可見，在不規(guī)則波下，葉輪推力系數(shù)的均值比較穩(wěn)定，但是其95%置信區(qū)間范圍較大（圖中的“工”字型標(biāo)記），瞬時(shí)葉輪推力系數(shù)值隨機(jī)性較大。

圖13 不規(guī)則波下浮式風(fēng)力機(jī)葉輪氣動(dòng)載荷響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.13 Time history curves of aerodynamic load response for floating wind turbine test under irregular wave

（4）浮式風(fēng)力機(jī)與固定式風(fēng)力機(jī)對(duì)比

分別對(duì)浮式風(fēng)力機(jī)及固定式風(fēng)力機(jī)的葉輪推力結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），得到浮式及固定式風(fēng)力機(jī)葉輪推力系數(shù)CT的頻譜（詳見圖14）。如圖14（a）所示，固定式風(fēng)力機(jī)的CT的第一峰值頻率為0.1833 Hz，與固定式風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率一致；如圖14（b）所示，規(guī)則波工況下浮式風(fēng)力機(jī)的CT的第一峰值頻率為0.1246 Hz，與波浪頻率接近，其次頻為0.2 Hz，這與浮式風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近；如圖14（c）所示，不規(guī)則波工況下浮式風(fēng)力機(jī)的CT的第一峰值頻率為0.199 9 Hz，與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近，同時(shí)在低頻區(qū)出現(xiàn)了很多次級(jí)頻峰，這主要是由于低頻區(qū)不規(guī)則波波頻對(duì)葉輪氣動(dòng)推力系數(shù)的變化產(chǎn)生了影響。根據(jù)浮式及固定式氣動(dòng)推力變化的頻率與波頻及葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的相關(guān)性可見，固定式風(fēng)力機(jī)與浮式風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的變化均受其葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的影響，固定式與浮式存在的差異之處在于浮式風(fēng)力機(jī)葉輪氣動(dòng)參數(shù)的變化還受到波浪參數(shù)的影響。

圖14 葉輪推力系數(shù)的快速傅里葉變換結(jié)果Fig.14 Fast Fourier transform of turbine’s thrust coefficient

3.2 浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)結(jié)果分析

（1）規(guī)則波工況

通過安裝于模型機(jī)艙內(nèi)部的加速度傳感器以及位移捕獲系統(tǒng)，對(duì)3.1節(jié)所述試驗(yàn)工況下浮式風(fēng)力機(jī)的六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定（圖15）。風(fēng)力機(jī)平臺(tái)縱蕩（Surge）、橫蕩（Sway）、垂蕩（Heave）、橫搖（Roll）、縱傾（Pitch）、首搖（Yaw）的變化均存在一個(gè)高頻周期8.026 s，與波浪周期一致。由此可見，在規(guī)則波環(huán)境下（波高：2.51 m；波頻：0.1246 Hz；浪向：與風(fēng)同向），水池造波周期是風(fēng)力機(jī)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)變化周期的主要影響因素。

圖15 規(guī)則波下浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.15 Time history curves of platform’s 6 degree of freedom motion response under regular wave

除了如上所述的關(guān)于各自由度運(yùn)動(dòng)與波浪周期高度一致的規(guī)律外，各自由度的運(yùn)動(dòng)也表現(xiàn)出了各自的差異性。就曲線的低頻波動(dòng)幅值變化而言，風(fēng)力機(jī)的縱蕩及橫蕩運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性較大，縱蕩運(yùn)動(dòng)主要受風(fēng)載以及系泊線纜張力的變化影響，橫蕩不穩(wěn)定主要是由水池環(huán)境下風(fēng)況不穩(wěn)定性引起的氣流橫向波動(dòng)導(dǎo)致的。相較于低頻運(yùn)動(dòng)，就高頻幅的大小來看，橫蕩、縱蕩及橫搖受波浪影響較小，垂蕩、縱搖及首搖受波浪影響較大。

（2）不規(guī)則波工況

與規(guī)則波工況類似，對(duì)不規(guī)則波（有義波高：5.1 m；譜峰周期：12.2 s；浪向：與風(fēng)同向）作用下的浮體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定（圖16）。在不規(guī)則波的影響下，浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出了顯著的不確定性，這主要是與不規(guī)則波的瞬時(shí)幅值及頻率變化有關(guān)。通過對(duì)比規(guī)則波及不規(guī)則波作用下浮體六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的時(shí)歷曲線，發(fā)現(xiàn)在風(fēng)參數(shù)相同的情況下，波參數(shù)不同的兩個(gè)浮式風(fēng)力機(jī)的六自由度運(yùn)動(dòng)之間存在明顯的差異，由此可見波浪的參數(shù)是影響平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的主要因素。

圖16 不規(guī)則波下浮式風(fēng)力機(jī)模型試驗(yàn)平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)時(shí)歷曲線Fig.16 Time history curves of platform’s 6 degree of freedom motion response under irregular wave

（3）機(jī)艙運(yùn)動(dòng)分析

通過安裝于風(fēng)力機(jī)機(jī)艙位置處的加速度傳感器（圖10），得到了固定式及浮式風(fēng)力機(jī)沿風(fēng)向的加速度（ax）數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)ax進(jìn)行快速傅里葉變換，得到了浮式及固定式風(fēng)力機(jī)的加速度ax的頻譜。如圖17（a）所示，固定式風(fēng)力機(jī)的加速度ax有3個(gè)峰值頻率，分別為0.1833 Hz、0.3667 Hz、0.55 Hz，其中第一峰值頻率（0.1833 Hz）與固定式風(fēng)力機(jī)實(shí)際葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致；如圖17（b）所示，在規(guī)則波工況下，浮式風(fēng)力機(jī)的加速度ax的第一峰值頻率為0.1246 Hz，與波浪頻率接近，其在高頻區(qū)也出現(xiàn)了與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相近的頻率；如圖17（c）所示，在不規(guī)則波工況下，浮式風(fēng)力機(jī)的加速度ax在波浪與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的共同影響下，其機(jī)艙運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。在低頻區(qū)，出現(xiàn)了與波頻和葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率之間差頻相近的若干頻峰，在高頻區(qū)，也出現(xiàn)了與葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率很接近的次級(jí)頻峰。由此可見，浮式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)主要受波浪的影響，同時(shí)也受到葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)的影響；而固定式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)主要是由其葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)造成的。

圖17 機(jī)艙加速度ax的快速傅里葉變換結(jié)果Fig.17 Fast Fourier transform of nacelle’s acceleration along wind direction

4 結(jié) 語

本文總結(jié)了一個(gè)基于商用6 MW 半潛式風(fēng)力機(jī)的縮尺比水池模型試驗(yàn)和相關(guān)分析。首先對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了概述，將各具體試驗(yàn)按照校驗(yàn)性試驗(yàn)、常規(guī)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)及特殊工況試驗(yàn)進(jìn)行了分類，并分別敘述了各試驗(yàn)階段的重要性；其次，對(duì)模型設(shè)計(jì)的主要理論進(jìn)行了敘述，確定了縮尺模型的相似準(zhǔn)則為弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則，按推力相似設(shè)計(jì)了模型葉片，并將模型葉片與實(shí)尺度葉片的推力系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)葉片的合理性；最后，通過對(duì)部分試驗(yàn)結(jié)果的分析，并對(duì)比固定式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)，簡(jiǎn)要地分析了商用6 MW浮式風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)及結(jié)構(gòu)性能。

從力學(xué)科學(xué)意義上講，本文所述漂浮式風(fēng)力機(jī)水池模型試驗(yàn)，是基于一種商用6 MW 風(fēng)力機(jī)樣機(jī)設(shè)計(jì)的縮尺模型試驗(yàn)，與傳統(tǒng)基于NREL 5MW理想風(fēng)力機(jī)翼型設(shè)計(jì)的縮尺模型試驗(yàn)得到的結(jié)果相比，更具現(xiàn)實(shí)意義及實(shí)用價(jià)值。從水池試驗(yàn)技術(shù)上講，第一，確定了拖曳水池和海洋工程深水池兩種水池并用進(jìn)行浮式風(fēng)力機(jī)試驗(yàn)的流程對(duì)風(fēng)力機(jī)技術(shù)研發(fā)的重要性和可行性；第二，分別對(duì)固定式風(fēng)力機(jī)和漂浮式風(fēng)力機(jī)的縮尺模型進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了在水池風(fēng)場(chǎng)環(huán)境下固定式與漂浮式風(fēng)力機(jī)縮尺模型的氣動(dòng)性能響應(yīng)，以及彼此間存在的差異；第三，分析了在水池風(fēng)場(chǎng)及波浪（規(guī)則波和不規(guī)則波）作用下浮式風(fēng)力機(jī)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，闡述了各自由度上浮體平臺(tái)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的異同點(diǎn)，以及導(dǎo)致這些運(yùn)動(dòng)差異的可能因素。

總體來講，本文簡(jiǎn)要但系統(tǒng)地總結(jié)了一個(gè)完整的基于商用浮式風(fēng)力機(jī)的實(shí)驗(yàn)，包含了完整的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果分析，希望對(duì)相關(guān)學(xué)者和從業(yè)人員有所幫助。