浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析關(guān)鍵技術(shù)綜述

胡志強(qiáng)

（1. 紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)工程學(xué)院，英國(guó) 紐卡斯?fàn)?NE1 7RU；2. 哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引 言

為減緩全球氣候變暖，降低CO2排放量，海洋可再生能源的開發(fā)與利用正受世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，其中海洋風(fēng)能開發(fā)的前景最為廣闊。海洋風(fēng)能開發(fā)用到的主要裝備是風(fēng)機(jī)，雖然固定式風(fēng)機(jī)是當(dāng)前的主力裝備，但隨著近?？臻g資源日益減少，海洋風(fēng)電開發(fā)必然會(huì)從近海走向遠(yuǎn)海，主力裝備必然會(huì)由固定式風(fēng)機(jī)變?yōu)楦∈斤L(fēng)機(jī)。相比固定式風(fēng)機(jī)，浮式風(fēng)機(jī)距離海岸線更遠(yuǎn)，水深更深，會(huì)帶來成本控制方面的挑戰(zhàn)。但是，浮式風(fēng)機(jī)的商業(yè)化優(yōu)勢(shì)也十分明顯，主要體現(xiàn)在風(fēng)速常年穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)風(fēng)能比例高、風(fēng)機(jī)功率更大、風(fēng)電場(chǎng)開發(fā)空間局限性小和視覺污染少等方面。圖1為風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)成本隨水深的變化[1]，解釋了為控制成本，隨水深增加而使用浮式風(fēng)機(jī)的必然性。近幾年，歐洲浮式風(fēng)機(jī)的發(fā)展十分迅速，例如：2017年9月，世界上第一個(gè)商用浮式風(fēng)電場(chǎng)Hywind Pilot Park在英國(guó)Peterhead建成投產(chǎn)[2]，標(biāo)志著海洋風(fēng)電正式邁入浮式風(fēng)電時(shí)代；目前歐洲正在建設(shè)Hywind Tampen風(fēng)電場(chǎng)，預(yù)計(jì)2022年建成。我國(guó)的海洋可再生能源儲(chǔ)量豐富，當(dāng)前正在積極發(fā)展可再生能源，以減少對(duì)化石能源的依賴，履行《巴黎協(xié)定》的有關(guān)要求。海洋風(fēng)能開發(fā)合作是近年來國(guó)際合作的熱點(diǎn)之一。例如，2019年英國(guó)政府設(shè)立“繁榮中國(guó)”基金，旨在推動(dòng)中英兩國(guó)在海洋可再生能源領(lǐng)域的科研和工程合作[3]。但是，我國(guó)目前的海洋風(fēng)電開發(fā)仍主要采用固定式風(fēng)機(jī)產(chǎn)品，尚未深入研究浮式風(fēng)機(jī)示范產(chǎn)品，技術(shù)方面有進(jìn)一步發(fā)展的空間。本文主要對(duì)浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析和預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展情況和存在的問題進(jìn)行總結(jié)，為浮式風(fēng)機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)研究提供參考。

圖1 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)成本隨水深的變化

浮式風(fēng)機(jī)相比固定式風(fēng)機(jī)，無作用在固定邊界上的支反力條件，取而代之的是慣性力與外界載荷的動(dòng)態(tài)平衡。該動(dòng)態(tài)平衡特征決定了浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)與固定式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的顯著區(qū)別，主要包括：

1) 支撐平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)。不同的支撐平臺(tái)具有不同的水動(dòng)力特性，例如Hywind采用單柱式平臺(tái)，設(shè)計(jì)人員主要關(guān)心其縱蕩、垂蕩、縱搖和艏搖運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性決定了系泊系統(tǒng)承受的載荷，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)長(zhǎng)柔性葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)有一定的影響。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)幅度對(duì)機(jī)艙內(nèi)部機(jī)械設(shè)備的工作狀態(tài)有一定的影響。例如，Hywind風(fēng)機(jī)在大部分工作狀態(tài)下呈7°～10°的傾角，影響機(jī)械設(shè)備潤(rùn)滑油的均勻流動(dòng)。

2) 系泊系統(tǒng)載荷響應(yīng)。系泊系統(tǒng)載荷響應(yīng)是指其在各種海況下承受的張力載荷。與傳統(tǒng)海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，浮式風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)不能追求過高的安全系數(shù)，這是因?yàn)楦∈斤L(fēng)機(jī)數(shù)量多，安全系數(shù)設(shè)計(jì)過高會(huì)導(dǎo)致系泊系統(tǒng)成本顯著上升。系泊系統(tǒng)成本控制是浮式風(fēng)機(jī)工程設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)之一，該問題已在英國(guó)Hywind風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)中得到證實(shí)[4]。因此，在設(shè)計(jì)階段需準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和分析系泊系統(tǒng)在不同海況下承受的張力載荷，從而選擇合理的系泊系統(tǒng)主尺度參數(shù)。此外，如何對(duì)浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及如何清理錨鏈上的海生物也是Hywind風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商Equinor公司提出的問題[4]。

3) 塔架和葉片結(jié)構(gòu)響應(yīng)。由于支撐平臺(tái)六自由運(yùn)動(dòng)的影響，浮式風(fēng)機(jī)塔架和葉片的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平與固定式風(fēng)機(jī)有所不同。但是，對(duì)于風(fēng)力機(jī)來說，支撐平臺(tái)運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)起到了一定的緩沖作用，能降低惡劣海況條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，體現(xiàn)出“以柔克剛”的特點(diǎn)。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，大部分葉片結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析計(jì)算和校核都忽略了平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的影響，而當(dāng)葉片的尺寸很大時(shí)，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)引起的慣性載荷會(huì)對(duì)長(zhǎng)柔葉片的結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生一定的影響，這是未來浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析技術(shù)發(fā)展需關(guān)注的問題。

4) 葉片槳距角控制方法。通過對(duì)葉片的槳距角進(jìn)行控制，保證風(fēng)機(jī)滿功率發(fā)電。固定式風(fēng)機(jī)通常采用的葉輪推力恒定原則不能直接應(yīng)用到浮式風(fēng)機(jī)槳距角控制中，取而代之的是葉輪轉(zhuǎn)矩恒定原則，這是因?yàn)楦∈斤L(fēng)機(jī)存在負(fù)阻尼問題[5]，會(huì)影響風(fēng)機(jī)整體的動(dòng)力特性[6]。

除了動(dòng)力響應(yīng)自身的特點(diǎn)之外，浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的分析方法也與傳統(tǒng)固定式風(fēng)機(jī)和海洋浮式結(jié)構(gòu)物的分析方法有所不同。浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析方法的特點(diǎn)如下。

1) 多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)。海洋浮式風(fēng)機(jī)是綜合空氣動(dòng)力學(xué)、水動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、機(jī)械力學(xué)和自動(dòng)控制等多學(xué)科技術(shù)的新型海上能源裝備，其承受的各種環(huán)境載荷、部件運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)執(zhí)行響應(yīng)都高度耦合，相互影響。雖然當(dāng)前浮式風(fēng)機(jī)的耦合動(dòng)力特性仍未完全清楚，但可確定浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科優(yōu)化過程，其動(dòng)力響應(yīng)分析需采用非線性時(shí)歷分析方法。

2) 剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)和解析計(jì)算方法。海洋浮式風(fēng)機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)。風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)中變形很小或有變形但不影響其整體運(yùn)動(dòng)特性的部分可簡(jiǎn)化為剛體，包括支撐平臺(tái)、輪轂和機(jī)艙，以簡(jiǎn)化計(jì)算模型；風(fēng)機(jī)葉片和錨鏈等細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可模擬為柔性體；風(fēng)機(jī)塔架可模擬為彈性體。適用于剛體、彈性體和柔性體動(dòng)力響應(yīng)分析的理論和計(jì)算方法有所不同，這對(duì)數(shù)學(xué)模型的建立和數(shù)學(xué)計(jì)算工具的選擇提出了很高的要求。

3) 傳統(tǒng)水池模型試驗(yàn)技術(shù)不能完全適用。在海洋工程領(lǐng)域，水池模型試驗(yàn)是準(zhǔn)確預(yù)報(bào)浮式結(jié)構(gòu)物動(dòng)力響應(yīng)情況的可靠技術(shù)之一，但存在諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，其中尺度效應(yīng)是最大的挑戰(zhàn)之一，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的試驗(yàn)技術(shù)無法將模型尺度的試驗(yàn)結(jié)果直接轉(zhuǎn)換成實(shí)型尺度結(jié)果（這是由于雷諾數(shù)相似與弗勞德數(shù)相似無法同時(shí)滿足）。此外，開放水池條件下的穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)制造技術(shù)、模型葉片的空氣動(dòng)力性能模擬設(shè)計(jì)技術(shù)、測(cè)試儀器質(zhì)量控制技術(shù)、槳距角控制機(jī)構(gòu)的模擬技術(shù)等，都是采用水池模型試驗(yàn)技術(shù)開展浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析研究中亟待解決的問題。

4) 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）數(shù)值仿真的可靠性和可行性問題。CFD數(shù)值仿真技術(shù)在水動(dòng)力領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，逐步應(yīng)用到了海洋浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析領(lǐng)域中。OC6項(xiàng)目的主要目的之一是通過與水池模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比，驗(yàn)證將CFD數(shù)值仿真技術(shù)應(yīng)用到浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析中的可靠性。CFD數(shù)值仿真技術(shù)具有適用范圍廣、直觀性強(qiáng)和能獲取豐富的數(shù)值結(jié)果等優(yōu)點(diǎn)，但也存在計(jì)算成本高、結(jié)果的準(zhǔn)確性依賴于使用者的經(jīng)驗(yàn)等不足。

1 浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)

浮式風(fēng)機(jī)在復(fù)雜海洋環(huán)境條件下作業(yè)時(shí)會(huì)受到風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、作業(yè)載荷和重力載荷等載荷的聯(lián)合作用，其中：風(fēng)載荷采用經(jīng)典葉素動(dòng)量理論計(jì)算；波浪載荷采用勢(shì)流理論和Morison公式計(jì)算；海流載荷采用船級(jí)社經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。從動(dòng)力響應(yīng)分析的角度看，這些計(jì)算方法已能提供精度較高的計(jì)算結(jié)果，且計(jì)算速度較快。高精度的載荷計(jì)算方法會(huì)顯著增加計(jì)算成本，本文不予討論。

下面主要從剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)方法、支撐平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)和系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)等3個(gè)方面闡述浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的分析技術(shù)和工程設(shè)計(jì)人員關(guān)注的關(guān)鍵問題。

1.1 剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)方法

浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力性能分析屬于典型的剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)研究。海上浮式風(fēng)機(jī)的槳葉結(jié)構(gòu)不僅細(xì)長(zhǎng)、通常工作于高速狀態(tài)，而且易受漂浮式支撐平臺(tái)大范圍運(yùn)動(dòng)的影響。在浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)中，基礎(chǔ)平臺(tái)的剛體運(yùn)動(dòng)和塔架、葉片結(jié)構(gòu)的柔性變形同時(shí)出現(xiàn)，且相互耦合、相互作用，其強(qiáng)非線性、高耦合性、坐標(biāo)系統(tǒng)定義和數(shù)學(xué)計(jì)算方法都是浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能分析的挑戰(zhàn)。CHEN等[7]、陳嘉豪[8]和劉格梁[9]對(duì)浮式風(fēng)機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行研究，給出了適用于浮式風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)懸臂梁模型和多體動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)傳遞模型（見圖2[7]），這些模型是在卡爾丹角坐標(biāo)系定義基礎(chǔ)上建立的。圖3為浮式風(fēng)機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w模型示意。LEMMER等[10]在介紹SLOW程序時(shí)闡述了該機(jī)理。

圖2 浮式風(fēng)機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型示意

圖3 浮式風(fēng)機(jī)剛?cè)狁詈隙囿w模型示意

剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)學(xué)求解方法也是浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能分析的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。凱恩方程[11]是一個(gè)比較好的數(shù)學(xué)求解方法，具有邊界約束小、計(jì)算速度快和適于編程求解的特點(diǎn)。LIKINS[12]提出的“混合坐標(biāo)動(dòng)力學(xué)模型”也可描述剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。目前，浮式風(fēng)機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛的FAST和HAWC2等軟件都是在剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立的。

1.2 支撐平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)

與固定式風(fēng)機(jī)相比，浮式風(fēng)機(jī)最大的不同是其支撐平臺(tái)的六自由度運(yùn)動(dòng)影響。與傳統(tǒng)的海洋平臺(tái)相比，浮式風(fēng)機(jī)支撐平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)主要有2個(gè)特點(diǎn)：

1) 巨大的葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)面承受風(fēng)載荷，使得平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出明顯的低頻運(yùn)動(dòng)特性；

2) 六自由度運(yùn)動(dòng)之間的相互影響比傳統(tǒng)浮式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，表現(xiàn)出較多的運(yùn)動(dòng)耦合性能。

MA等[13]針對(duì)Hywind單柱式風(fēng)機(jī)六自由度運(yùn)動(dòng)特性的研究充分體現(xiàn)了以上2個(gè)特點(diǎn)。Hywind浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出明顯的低頻特性和縱搖/垂蕩/縱蕩運(yùn)動(dòng)之間的耦合特性。以Hywind平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜曲線（見圖4）為例，當(dāng)只有波浪作用時(shí)，平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜曲線只表現(xiàn)出波頻峰值，這與傳統(tǒng)海洋平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)性能一致；但是，當(dāng)風(fēng)、浪聯(lián)合作用時(shí)，除了波頻峰值以外，平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜曲線增加了2個(gè)低頻峰值，這是平臺(tái)縱搖運(yùn)動(dòng)與縱蕩運(yùn)動(dòng)耦合響應(yīng)引起的。

最初的浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能研究集中在Hywind單柱式浮式風(fēng)機(jī)上。WAYMAN等[14]與美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）合作，較早開展了浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)耦合特性的研究，提出了MIT/NREL TLP和MIT/NREL SDB 2種浮式風(fēng)機(jī)支撐平臺(tái)概念（2006年）。Hywind支撐平臺(tái)是細(xì)長(zhǎng)型單柱結(jié)構(gòu)，最初其水動(dòng)力分析采用Morison公式（FAST 6.0軟件），以簡(jiǎn)化數(shù)值計(jì)算。隨著更多的支撐平臺(tái)形式出現(xiàn)，例如Principle Power公司設(shè)計(jì)的半潛式海上浮式風(fēng)機(jī)WindFloat[15-17]，NREL的DeepCWind半潛式浮式風(fēng)機(jī)概念[18]，Ideol公司提出的Floatgen駁船式浮式風(fēng)機(jī)，在這些概念方案中，波浪二階力非線性波浪載荷影響不能被忽略，因此波浪二階力逐步被加入后續(xù)程序開發(fā)中。LI等[19]利用SESAM軟件開展了波浪二階差頻力對(duì)浮式風(fēng)機(jī)的影響。與傳統(tǒng)海洋平臺(tái)載荷分析不同，風(fēng)載荷是浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)性能分析中的主導(dǎo)載荷。DUAN等[20]在Hywind浮式風(fēng)機(jī)的渦激運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)研究中觀察到風(fēng)載荷能明顯抑制支撐平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)幅度。TANG等[21]研究發(fā)現(xiàn)，半潛式浮式風(fēng)機(jī)的縱蕩運(yùn)動(dòng)主要是風(fēng)載荷主導(dǎo)，而垂蕩運(yùn)動(dòng)是波浪載荷主導(dǎo)的。LI等[22]在Hywind渦激運(yùn)動(dòng)研究中分析了各自由度運(yùn)動(dòng)與風(fēng)浪流之間的耦合對(duì)應(yīng)關(guān)系。此外，張力腿平臺(tái)浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能分析多采用模型試驗(yàn)方法開展[23-24]，TLP浮式風(fēng)機(jī)解析計(jì)算方法的挑戰(zhàn)性較高， VIJAY等[25]和SHEN等[26]通過建立數(shù)學(xué)模型研究了該類型浮式風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性。

圖4 Hywind單柱式平臺(tái)六自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)譜曲線

在浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能研究中，OC3項(xiàng)目[27]是體現(xiàn)國(guó)際合作的一個(gè)具有里程碑意義的項(xiàng)目。NREL提供了一個(gè)良好的浮式風(fēng)機(jī)研究對(duì)象——Hywind概念，即單柱式浮式風(fēng)機(jī)。通過OC3項(xiàng)目，NREL分享了5MW浮式風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)資料[28]和葉片設(shè)計(jì)資料[29]，這是NREL在浮式風(fēng)機(jī)研究領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)之一。OC4項(xiàng)目[30]和OC5項(xiàng)目[31-32]著眼于水池模型試驗(yàn)技術(shù)和數(shù)值分析技術(shù)在平臺(tái)運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)上的可靠性研究；OC6項(xiàng)目則將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了CFD技術(shù)應(yīng)用上。

負(fù)阻尼現(xiàn)象是浮式風(fēng)機(jī)的一個(gè)獨(dú)特運(yùn)動(dòng)特性。由于風(fēng)速的變化，風(fēng)機(jī)葉片槳距角根據(jù)一定的策略調(diào)整，以保證額定輸出功率。但是，若將應(yīng)用在固定式風(fēng)機(jī)上的恒功率策略直接應(yīng)用在浮式風(fēng)機(jī)上，會(huì)產(chǎn)生負(fù)阻尼現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)搖擺運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生共振，幅度增大，損傷風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)。JONKMAN[6]詳細(xì)闡述了負(fù)阻尼產(chǎn)生的要素；LARSEN等[5]提出了浮式風(fēng)機(jī)負(fù)阻尼抑制機(jī)制和方法。目前，浮式風(fēng)機(jī)采用的槳距角控制策略采取的優(yōu)化措施有2個(gè)，即：

1) 降低控制器的操作響應(yīng)頻率，使其低于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)一階固有頻率，保證變槳?jiǎng)幼鞑划a(chǎn)生負(fù)阻尼；

2) 在額定功率處將轉(zhuǎn)速扭矩控制策略由適用于固定式風(fēng)機(jī)的恒功率策略變成恒扭矩策略，這樣可保證變槳距角操作時(shí)不出現(xiàn)負(fù)阻尼現(xiàn)象。

1.3 系泊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

浮式風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很大的挑戰(zhàn)，與海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)以安全性為首要目標(biāo)不同，浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須重點(diǎn)考慮如何降低成本。因此，浮式風(fēng)機(jī)系泊系統(tǒng)必須兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性，而兩者之間的矛盾使得準(zhǔn)確預(yù)報(bào)動(dòng)力響應(yīng)顯得尤為重要。此外，風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的附加陀螺力矩也是由系泊系統(tǒng)承擔(dān)的。Hywind風(fēng)機(jī)的系泊系統(tǒng)采用Delta line方式[33]的一個(gè)重要目的就是提高艏搖運(yùn)動(dòng)剛度。此外，浮式風(fēng)機(jī)其他結(jié)構(gòu)安全性問題，包括葉片和塔架結(jié)構(gòu)的疲勞安全性能及分析方法，與固定式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法類似。

KARIMIRAD等[33-34]對(duì)懸鏈線式和張緊式系泊系統(tǒng)等Hywind系泊系統(tǒng)在作業(yè)海況和極端海況下的隨機(jī)動(dòng)力特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究；同時(shí)，利用HAWC2軟件和USFOS軟件分析了塔架承受彎矩載荷特性，指出Hywind風(fēng)機(jī)塔架彎矩載荷受到縱搖運(yùn)動(dòng)耦合效應(yīng)、波頻載荷效應(yīng)和塔架結(jié)構(gòu)自振頻率的共同影響（見圖5）。

圖5 風(fēng)浪聯(lián)合作用下Hywind風(fēng)機(jī)塔架彎矩譜

GUEYDON等[35]給出了在時(shí)域場(chǎng)景下分析浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的具體方法和流程。PROSKOVICS等[36]提出了浮式風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)安全性的風(fēng)險(xiǎn)分析方法。鄧露等[37]采用FAST-Orcaflex軟件建立了海上浮式風(fēng)機(jī)耦合動(dòng)力模型，對(duì)系泊系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并提出了一套系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。LI等[38]研究了Hywind在系泊系統(tǒng)部分失效場(chǎng)景下的動(dòng)力性能，并指出了風(fēng)機(jī)停機(jī)的必要性。

2 浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析技術(shù)

2.1 解析計(jì)算程序

解析計(jì)算具有速度快、成本低和計(jì)算精度高等特點(diǎn)，滿足工程應(yīng)用的要求。海上浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能計(jì)算以氣動(dòng)-水動(dòng)-伺服-彈性耦合動(dòng)力學(xué)模型為基礎(chǔ)，具有強(qiáng)非線性和耦合性，因此解析計(jì)算必須在時(shí)域范圍內(nèi)開展。上述浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析技術(shù)和數(shù)學(xué)模型是編制解析計(jì)算程序的基礎(chǔ)。目前應(yīng)用較為廣泛的軟件包括NREL的FAST[39]和OpenFAST程序[40]、丹麥RisoDTU的HAWC2程序[41]和Bladed程序[42]。此外，許多科研團(tuán)隊(duì)都提出了數(shù)值計(jì)算程序，例如挪威NTNU大學(xué)的AeroDyn/SIMO/RIFLEX程序[43]、德國(guó)斯圖加特大學(xué)的SLOW程序[44]和本文提出的DARwind程序[7]等。在這些軟件中，F(xiàn)AST軟件應(yīng)用最為廣泛。表1為浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能分析軟件匯總。

表1 浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能分析軟件匯總

表1中：BEM指葉素動(dòng)量理論（Blade Element Momentum）；DS指動(dòng)態(tài)失速（Dynamic Stall）；Airy指線微幅波理論（Airy波）；ME指莫里森公式（Morison’s Equation）；PF 指考慮輻射和繞射效應(yīng)的勢(shì)流理論（Potential Flow）；QSCE 指準(zhǔn)靜態(tài)懸鏈線方程（Quasi-Static Catenary Equations）；UDFD指用戶自定義的力-位移關(guān)系（User-Defined Force-Displacement Relationships）；FEM指有限元模型（Finite Element Method）。

2.2 水池模型試驗(yàn)技術(shù)

2.2.1 研究進(jìn)展

水池模型試驗(yàn)技術(shù)是船舶與海洋工程領(lǐng)域常用的研究手段，可靠性較高，已應(yīng)用到浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)研究中。例如：NIELSEN等[21]在挪威SintefOcean水池針對(duì)5MW 單柱式浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行了水池模型試驗(yàn)研究；Principle Power公司對(duì)半潛式WindFloat浮式風(fēng)機(jī)的第一階段設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了模型試驗(yàn)[45]。隨著OC3項(xiàng)目的開展，從2011年開始，美國(guó)緬因州大學(xué)委托荷蘭MARIN水池開展了一系列水池模型試驗(yàn)研究[46]。在浮式風(fēng)機(jī)水池模型試驗(yàn)研究領(lǐng)域，荷蘭MARIN水池開展了一些與單柱式和半潛式 5MW風(fēng)機(jī)相關(guān)的水池試驗(yàn)研究，并公開了一些重要的設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果[47-48]，為相關(guān)研究的開展提供了很大的幫助。國(guó)內(nèi)較早完整開展浮式風(fēng)機(jī)水池模型試驗(yàn)研究的是上海交通大學(xué)深水試驗(yàn)池[49]。表2為具有代表性的浮式風(fēng)機(jī)水池模型試驗(yàn)研究總結(jié)。

表2 具有代表性的浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)研究總結(jié)

2.2.2 面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

利用水池模型試驗(yàn)技術(shù)開展浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)分析和研究，面臨著許多技術(shù)挑戰(zhàn)：

2.2.2.1 尺度效應(yīng)問題

以弗勞德數(shù)相似為理論基礎(chǔ)，將水池試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叨冉Y(jié)果換算成實(shí)型值，作為工程結(jié)構(gòu)物在實(shí)際海況條件下的動(dòng)力響應(yīng)，這種轉(zhuǎn)換方法已被業(yè)界熟知和認(rèn)可。該方法假設(shè)：與波浪載荷相比，風(fēng)載荷被視為次要因素，因此忽略風(fēng)載荷遵循的雷諾數(shù)相似準(zhǔn)則。但是，對(duì)于浮式風(fēng)機(jī)而言，風(fēng)載荷是主導(dǎo)動(dòng)力因素，因此雷諾數(shù)相似原則不能被忽略。在利用水池模型試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行研究和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，不得不同時(shí)考慮弗勞德數(shù)相似和雷諾數(shù)相似。然而，根據(jù)雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)的定義，從基本原理的角度出發(fā)，兩者是無法同時(shí)滿足的，滿足弗勞徳縮尺之后，模型雷諾數(shù)會(huì)比實(shí)型雷諾數(shù)小很多，即

式(1)中：Re為雷諾數(shù)；ρ為流體密度；v為流體速度；L為特征長(zhǎng)度；μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù)；下標(biāo)m為模型值；下標(biāo)p為原型值；λ為縮尺比。這個(gè)矛盾帶來一個(gè)嚴(yán)峻的問題：利用傳統(tǒng)水池模型試驗(yàn)技術(shù)獲得的浮式風(fēng)機(jī)試驗(yàn)結(jié)果無法直接換算成實(shí)型值。這是當(dāng)前國(guó)際海洋浮式風(fēng)電領(lǐng)域亟待解決的工程科學(xué)問題。

目前已有學(xué)者嘗試解決該問題。例如：MARTIN等[46]提出利用風(fēng)洞精確測(cè)量風(fēng)力載荷，同時(shí)用六自由度運(yùn)動(dòng)生成器模擬支撐平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方法；GOUPEE等[48]、NIELSEN等[50]和MATTHEW等[57-58]采用混合模型試驗(yàn)方法，以圓盤取代葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)[53]，通過程序計(jì)算作用在葉片旋轉(zhuǎn)面上的風(fēng)載荷，同時(shí)以水平纜繩組和張力輸出裝置實(shí)時(shí)模擬風(fēng)載荷，以期解決雷諾數(shù)相似問題（見圖6）。但是，這些方法忽略了空氣動(dòng)力性能與水動(dòng)力性能的耦合效應(yīng)，而該耦合效應(yīng)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)的影響很大，忽略該因素有明顯不足。因此，在目前的技術(shù)條件下，研究人員不得不忽略一部分動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果的精確性，以保證大部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

圖6 挪威科技大學(xué)的STC浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)

2.2.2.2 開放空間條件下的穩(wěn)定風(fēng)場(chǎng)制造技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞雖然能準(zhǔn)確模擬風(fēng)，但通常不具備海洋工程模型試驗(yàn)條件；循環(huán)水槽雖然同時(shí)具備風(fēng)、浪、流的模擬條件，但通常設(shè)施尺度小，無法開展縮尺比為1:50～1:80的可靠工程試驗(yàn)。因此，具有復(fù)雜造波功能、可調(diào)節(jié)水深、便于大范圍布置系泊系統(tǒng)的海洋工程水池，以及具有較大寬度的拖曳水池，是開展浮式風(fēng)機(jī)模型試驗(yàn)研究比較有利的設(shè)施。但是，海洋工程水池和拖曳水池通常不配備大尺度風(fēng)洞，因此在開放空間條件下制造穩(wěn)定的風(fēng)場(chǎng)是十分重要的。DUAN等[49]強(qiáng)調(diào)了試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)在空間和時(shí)間上都呈現(xiàn)均勻性的重要性，并給出了測(cè)量方法和湍流度測(cè)量結(jié)果（見圖7）。

圖7 上海交通大學(xué)深水試驗(yàn)池中的造風(fēng)系統(tǒng)和風(fēng)場(chǎng)湍流度測(cè)試結(jié)果

2.2.2.3 葉片模型設(shè)計(jì)與加工制作技術(shù)

與其他模型構(gòu)件不同，浮式風(fēng)機(jī)葉片模型的設(shè)計(jì)和制作并不完全符合幾何相似原則。若完全符合幾何相似原則，試驗(yàn)條件下的空氣動(dòng)力參數(shù)會(huì)顯著下降（見圖8中模型值的對(duì)應(yīng)走勢(shì)）。葉片模型的截面形狀設(shè)計(jì)需根據(jù)翼型庫(kù)參數(shù)和氣動(dòng)載荷相似原則進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。圖8為FOWLER等[59]根據(jù)AG24葉片剖面形狀庫(kù)參數(shù)，依照“推力相似原則”設(shè)計(jì)的模型尺度葉片空氣動(dòng)力特性對(duì)比。DUAN等[60]對(duì)葉片在“幾何相似原則”和“推力相似原則”下的空氣動(dòng)力特性進(jìn)行了對(duì)比分析。葉片模型的加工成本一般比較高，為符合質(zhì)量相似原則，葉片模型可采用碳纖維材料制作加工。CHEN等[61]對(duì)不同葉片模型設(shè)計(jì)方案在模型試驗(yàn)條件下體現(xiàn)的系統(tǒng)動(dòng)力性能進(jìn)行了對(duì)比研究。

圖8 根據(jù)“推力相似原則”設(shè)計(jì)的模型尺度葉片空氣動(dòng)力特性對(duì)比

對(duì)于只在風(fēng)洞內(nèi)開展的試驗(yàn)研究，BELLOLI[62]和BAYATU[63]提出試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，將空氣動(dòng)力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能相結(jié)合，通過迭代設(shè)計(jì)得到既滿足空氣動(dòng)力推力性能，又滿足結(jié)構(gòu)剛度性能的葉片模型，從而達(dá)到在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)的目的。但是，該方法無法考慮空氣動(dòng)力與水動(dòng)力的耦合效應(yīng)。

2.2.2.4 浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)慣量調(diào)節(jié)技術(shù)

受水池模型試驗(yàn)測(cè)量?jī)x器精度的限制，工業(yè)界普遍認(rèn)可的可靠試驗(yàn)縮尺比為1:80～1:50。在該范圍內(nèi)，與船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物相比，浮式風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的模型質(zhì)量較小，這就對(duì)慣量調(diào)節(jié)技術(shù)提出了較高的精度要求。首先是支撐平臺(tái)模型慣量調(diào)節(jié)要求高，單柱式Spar支撐平臺(tái)（見圖9a）相比半潛式平臺(tái)（見圖9b），在質(zhì)量慣性調(diào)節(jié)上的技術(shù)挑戰(zhàn)更大。這是因?yàn)閱沃狡脚_(tái)要求底部質(zhì)量較大，而普通壓鐵體積大，不便操作。其次是葉片質(zhì)量控制要求高，若沒有精確質(zhì)量模擬，試驗(yàn)中快速轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片結(jié)構(gòu)必然影響系統(tǒng)動(dòng)力響應(yīng)的準(zhǔn)備模擬。接著是測(cè)量?jī)x器質(zhì)量控制，尤其是布置在機(jī)艙范圍內(nèi)的六分力儀、加速度儀和非接觸式燈球等，都要盡可能地選擇質(zhì)量較小的。最后是線纜布置的合理性要求：

1) 線纜質(zhì)量要作為模型質(zhì)量考慮在內(nèi)；

2) 線纜離開模型的位置要保證線纜不能對(duì)模型運(yùn)動(dòng)有約束影響（見圖9c）。

圖9 浮式風(fēng)機(jī)質(zhì)量慣性調(diào)節(jié)技術(shù)

此外，還有一些其他亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。例如：塔架彈性振動(dòng)特性模擬技術(shù)，一般要求至少模擬塔架的一階振動(dòng)特性，并忽略塔架的幾何相似特性；槳距角調(diào)節(jié)的水池模擬技術(shù)。嚴(yán)格的機(jī)艙質(zhì)量限制條件使得只有輕質(zhì)量的精密機(jī)械才能滿足條件，KOO等[47]和YU等[64]在丹麥DHI水池和荷蘭MARIN[39]水池中都對(duì)此進(jìn)行了研究。

2.3 數(shù)值仿真技術(shù)

基于CFD的數(shù)值仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用在流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域，但在浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能分析方面還有很多工作有待開展，例如CFD數(shù)值仿真的成本較高、周期長(zhǎng)及計(jì)算結(jié)果的不確定性較大等問題有待解決。OC6項(xiàng)目旨在探索CFD技術(shù)在浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力性能研究中的可靠性和準(zhǔn)確性；BARAKOS[65]介紹了利用CFD技術(shù)開展浮式風(fēng)機(jī)耦合動(dòng)力的研究成果；WAN等[66-67]基于CFD開源工具OpenFOAM和重疊網(wǎng)格技術(shù)開發(fā)了CFD數(shù)值求解器naoe-FOAM-SJTU，并利用該求解器對(duì)半潛式海上浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行了一系列研究，包括不同葉尖速比下的浮式風(fēng)機(jī)耦合動(dòng)力特性、風(fēng)波聯(lián)合作用下的海上浮式風(fēng)機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)特性和海上浮式風(fēng)機(jī)塔架對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能影響等；HU等[68-69]開發(fā)了RIAM-CMEN數(shù)值仿真程序，利用CIP（Constrained Interpolation Profile）技術(shù)對(duì)九州大學(xué)提出的半潛式浮式風(fēng)機(jī)方案（見圖10）進(jìn)行了數(shù)值仿真研究，并與模型試驗(yàn)相對(duì)比，驗(yàn)證了其水動(dòng)力性能。

圖10 九州大學(xué)半潛式浮式風(fēng)機(jī)方案

2.4 浮式風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)技術(shù)

海上浮式風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)技術(shù)是重要的研究手段之一，在海上浮式風(fēng)機(jī)商業(yè)化應(yīng)用之前，通常需經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)測(cè)試驗(yàn)。2009年，挪威國(guó)家石油公司率先開展了實(shí)尺度的海上浮式風(fēng)機(jī)樣機(jī)Hywind實(shí)測(cè)項(xiàng)目[70]，單機(jī)發(fā)電功率2.3MW，作業(yè)水深200m。2011年，Principal Power在葡萄牙開展了Windfloat半潛式浮式風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)項(xiàng)目（見圖11）。其他的實(shí)測(cè)項(xiàng)目包括Blue H公司開展的張力腿式浮式風(fēng)機(jī)中型尺度實(shí)測(cè)項(xiàng)目[71]、挪威Sway風(fēng)機(jī)項(xiàng)目、法國(guó)Ideol公司的Floatgen海上浮式風(fēng)機(jī)項(xiàng)目[24]和日本“Fukushima FORWARD”福島海上浮式風(fēng)電場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目等。

但是，浮式風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)研究成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)價(jià)值很高。受一些商業(yè)因素限制，目前歐洲開展的浮式風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)公開的內(nèi)容十分有限。我國(guó)的浮式風(fēng)電技術(shù)主要依靠自主研發(fā)。

圖11 Windfloat半潛式浮式風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)項(xiàng)目

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著浮式風(fēng)機(jī)從近海走向遠(yuǎn)海，發(fā)電功率提升和結(jié)構(gòu)尺度大型化是必然的趨勢(shì)。“以柔克剛”是浮式風(fēng)機(jī)未來高大化發(fā)展的基本設(shè)計(jì)理念，且浮式風(fēng)機(jī)的剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)特性會(huì)越來越明顯。復(fù)雜的海洋工程結(jié)構(gòu)承受著復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷，其動(dòng)力響應(yīng)水平必然更加復(fù)雜。準(zhǔn)確預(yù)報(bào)浮式風(fēng)機(jī)的動(dòng)力性能是其安全性和商業(yè)化的重要保障技術(shù)。

本文對(duì)近年來浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)力響應(yīng)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，重點(diǎn)對(duì)解析計(jì)算方法和模型試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了分析。隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，人工智能技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越多，目前主要集中在海洋風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維領(lǐng)域。可以預(yù)測(cè)，未來人工智能技術(shù)在風(fēng)電其他領(lǐng)域會(huì)有較好的發(fā)展。