在复杂海洋环境中-开启浮动式风机系泊多物理场耦合动力学仿真

导读：随着全球对清洁能源需求的不断增长，海上风电作为一种极具潜力的可再生能源形式，正受到越来越多的关注。相较于传统的固定式海上风力发电机，浮动式风力发电机能够在更深的海域部署，利用更强劲、稳定的风能资源，从而拓宽了海上风电的开发范围。然而，浮动式风力发电机在复杂的海洋环境中运行，其动力学行为涉及多个物理场的耦合，如何精准地对浮动式风机进行仿真，成为了该领域研究的关键问题之一。 

近日，由笔者原创首发仿真秀平台视频教程《  海上浮动式风力发电机  Star-CCM+  系泊仿真全教程》帮助工程师朋友攻克系统建模、七自由度运动配置和载荷监测等工程难题，详情见后文：

一、浮动式风机介绍  

综上所述，浮动式风机仿真面临多物理场耦合、环境不确定性及模型简化与精度平衡的多重挑战，六自由度仿真方法结合 CFD 与 FEA 软件的联合仿真，能有效解决多场耦合问题，通过系统的建模、网格划分、载荷施加及求解分析流程，实现对风机动力学行为的深度解析；而叠加叶片旋转与平台被动运动的仿真策略，则进一步完善了对风机实际运行状态的模拟。未来，随着计算技术的进步与理论模型的优化，浮动式风机仿真将朝着高效、精准方向发展，为深海风电的规模化开发与安全运行提供关键技术支撑。 

目前，浮动式风机平台主要有三种主流类型：柱状浮筒、半潜式平台和张力腿平台。柱状浮筒平台采用直立的柱状型结构，其稳定性源于整体结构重心在水中低于浮力中心，即下半部较重而上半部较轻，结构相对简单且稳定性良好。全球第一架全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机由挪威 Equinor 于 2009 年 9 月装置，发电容量为 2.3MW，装置地点在挪威卡姆岛，距离海岸 10 公里，安装地点水深 220 米，该原型机采用的就是柱状浮筒设计，从 2009 年安装至今仍持续运转，估计每年发电量约 900 万度，容量因数为 41.4% 。 

半潜式平台是在海面半潜的浮力稳定平台，通过悬链锚泊在海床上。这种平台通常需要较大及较重的浮体结构，或配备动态稳定系统以维持稳定。2011 年 10 月，美国 Principle Power 装置了全球第二架全尺寸的浮体式离岸风力发电原型机，发电容量为 2MW，装置地点在葡萄牙阿古萨多拉，距离海岸 4 公里，安装地点水深 45 米，其浮动结构采用的便是半潜式平台设计 。 

张力腿平台由半潜式结构加上拉紧张力、固定于海床上的锚绳组成。浮体结构较半潜式平台小且轻，主要靠拉紧的锚链维持其稳定性。例如，荷兰 Blue H 科技公司于 2007 年 12 月装置的全球第一架浮体式离岸风力发电原型机，发电容量为 80kW，装置地点在意大利普利亚，距离海岸 21.3 公里，安装地点水深 113 米，其浮动结构采用的就是张力腿平台设计 。  

二、浮动式风机原理  

浮动式风机的工作原理与传统风力发电机类似，核心都是将风能转化为电能。当风吹动风机叶片时，叶片受力旋转，带动与叶片相连的主轴转动。主轴将机械能传递给齿轮箱（在直驱式风机中则无齿轮箱，直接连接发电机），经过齿轮箱增速后，驱动发电机运转，发电机通过电磁感应原理将机械能转化为电能。产生的电能通过海底电缆传输到海上变电站，在变电站中进行升压等处理后，再由海底电缆输送到陆地上的电力分配站，最终输送到千家万户和各类工厂等用电场所。  

在复杂的海洋环境中，维持浮动平台的稳定性是确保风机正常运行的关键。不同类型的浮动平台采用不同的方式来实现稳定性。柱状浮筒平台利用自身重心低于浮力中心的特点，在受到海浪等外力作用时，产生恢复力矩，使平台回到平衡位置。

半潜式平台通过较大的浮体结构提供浮力，并结合锚泊系统，抵抗风浪流产生的水平力和倾覆力矩；部分半潜式平台还配备了动态稳定系统，如主动控制的压载水系统，可根据平台的姿态变化实时调整压载水分布，以维持平台稳定。

张力腿平台则依靠拉紧的锚链将平台向下拉，与平台自身浮力形成平衡，抑制平台在海浪作用下的垂直位移和水平位移。同时，平台上通常还配备有各类传感器，实时监测平台的姿态、位移等参数，通过控制系统调整相关设备（如压载水系统、锚泊绞车等），以保障平台在各种海况下都能保持相对稳定，为风机叶片的稳定旋转提供可靠基础。  

三、浮动式风机仿真难点  

浮动式风机在运行过程中，涉及到空气动力学、结构动力学、水动力学以及控制系统等多个物理场的相互耦合。风对风机叶片的作用力属于空气动力学范畴，叶片的旋转运动会引起风机结构的振动，这涉及结构动力学；而浮动平台在海浪和海流作用下的运动则属于水动力学问题。

这些物理场之间相互影响，例如，平台的运动姿态变化会改变风机叶片与来流风的相对角度，进而影响空气动力载荷；而风机叶片受到的非定常气动力又会反馈到风机结构和平台上，加剧平台的振动和位移。准确描述这种多物理场耦合关系，并在仿真中实现各物理场之间的精确交互，是一项极具挑战性的任务。

海洋环境条件复杂多变且具有很强的不确定性。风速不仅在时间上具有随机性，在空间上也存在不均匀性，即存在风切变现象。不同高度处的风速大小和方向可能不同，这会导致风机叶片在旋转过程中各个部位所受的风力不同，从而产生复杂的气动力载荷。

海浪同样具有随机性，其波高、周期、方向等参数不断变化。不同海况下的海浪对浮动平台的作用力特性差异很大，从平静海况下的较小波浪力到恶劣海况下的巨大冲击载荷，使得平台的运动响应难以准确预测。此外，海流也会对平台产生一定的作用力，与风浪力共同作用于平台，增加了环境载荷的复杂性。在仿真过程中，如何准确模拟这些不确定的海洋环境因素，使其尽可能真实地反映实际情况，是准确预测浮动式风机动力学行为面临的一大难点。

为了在合理的计算资源和时间成本下对浮动式风机进行仿真分析，往往需要对复杂的物理模型进行简化。然而，过度简化可能导致模型精度不足，无法准确反映风机的实际运行情况；而追求高精度的详细模型又可能导致计算量过大，使得仿真难以在实际工程中应用。例如，在建立空气动力学模型时，常用的致动盘模型虽然计算效率较高，但对风机叶片周围复杂流场的描述较为粗糙，无法精确捕捉叶片表面的边界层效应和叶尖涡等现象。

而采用计算流体力学（CFD）方法可以更精确地模拟流场，但计算量巨大，对计算机硬件要求极高 。在水动力学模型方面，对于复杂的海浪与平台相互作用问题，一些简化的势流理论模型可能无法准确考虑粘性效应和非线性波浪力，而采用粘性流模型又会大大增加计算复杂度 。因此，如何在模型简化与精度之间找到合适的平衡点，是浮动式风机仿真研究中需要不断探索和解决的问题 。  

四、浮动式风机整机运动的六自由度仿真方法  

在三维空间中，浮动式风机平台具有六个自由度的运动，分别为沿 x、y、z 轴方向的平移运动（通常分别称为纵荡、横荡、垂荡）和绕 x、y、z 轴的旋转运动（分别称为横摇、纵摇、艏摇） 。

通过建立合适的坐标系，可以精确描述平台在任意时刻的位置和姿态 。例如，以平台的初始重心位置为坐标原点，x 轴通常指向风机的轴向（叶片旋转平面的法线方向），y 轴垂直于 x 轴且位于海平面内，z 轴垂直向上 。平台在某一时刻的位置可以用坐标 (x,y,z) 表示，姿态可以用横摇角 θx、纵摇角 θy、艏摇角 θz 来描述 。

这种六自由度的运动描述方式能够全面地反映平台在海洋环境中的复杂运动状态，为后续的动力学分析和仿真提供了基础 。   

浮动式风机流体力学与结构力学耦合方法，结合 CFD 软件（如 STAR-CCM+、ANSYS Fluent、OpenFOAM 等）和有限元分析（FEA）软件（如ABAQUS 、ANSYS Mechanical等）进行联合仿真 。CFD 软件用于计算风机周围的空气流场和平台周围的水流场，获取作用在风机叶片和平台上的气动力和水动力；FEA 软件则用于对风机结构和平台进行力学分析，计算其在载荷作用下的变形和应力 。

通过数据传递接口，实现 CFD 和 FEA 软件之间的双向耦合，即流场计算得到的载荷传递给结构力学模型进行结构响应分析，而结构的变形又反馈到流场计算中，更新流场边界条件，从而实现对浮动式风机多物理场耦合问题的精确模拟 。这种方法能够更真实地反映风机在实际运行中的物理过程，但计算成本较高，对计算资源要求苛刻 。   

浮动式风机仿真流程：  

1)模型建立：利用专业建模软件（如STAR-CCM+ 等）建立浮动式风机的三维几何模型，包括叶片、塔筒、平台等部件，精确设置各部件的几何尺寸、材料属性等参数。  

2)网格划分：对于流体计算域（空气域和水域），采用合适的网格划分技术（如四面体网格、六面体网格等）进行网格划分，在关键区域（如叶片表面、平台与水接触区域）进行网格加密，以提高计算精度。对于结构部件，也需进行有限元网格划分，为后续力学分析做准备。  

3)边界条件与载荷施加：在空气动力学计算中，设置来流风速、风向等边界条件；在水动力学计算中，设定波浪参数（波高、周期、方向等）、海流速度等边界条件。将计算得到的风载荷、波浪力、海流力等施加到风机模型上，同时考虑重力、浮力等作用。  

4)求解计算：根据选择的求解算法和仿真软件，进行数值计算。在计算过程中，实时监测计算的收敛性，若不收敛则调整计算参数（如时间步长、松弛因子等）重新计算。  

5)结果分析：计算完成后，对仿真结果进行分析，包括平台的六自由度运动轨迹、叶片的受力情况、结构的应力应变分布等。通过后处理软件（如 Tecplot）对结果进行可视化展示，更直观地分析风机的运动特性和力学性能。  

五、浮动式风机仿真中在风机被动运动中叠加叶片旋转  

在浮动式风机运行过程中，风机整体会随着浮动平台在风浪流作用下产生六自由度的被动运动，同时风机叶片又在风力作用下进行主动旋转运动。这两种运动相互影响、相互叠加。从物理过程来看，当平台发生平移运动（如纵荡、横荡、垂荡）时，会改变风机叶片与来流风的相对位置和速度，从而影响叶片所受的气动力大小和方向。例如，平台的垂荡运动会使风机叶片所处位置的风速在垂直方向上发生变化，进而改变叶片的攻角，导致气动力载荷改变。而平台的旋转运动（横摇、纵摇、艏摇）则会使风机叶片的旋转平面与来流风的夹角发生改变，同样会对气动力产生显著影响。另一方面，叶片的旋转运动会产生离心力和陀螺力矩，这些力和力矩会反馈到风机结构和平台上，对平台的被动运动产生一定的反作用。例如，叶片旋转产生的陀螺力矩会在平台发生横摇或纵摇时，增加平台的转动惯量，影响平台的摇摆响应。  

以STAR-CCM为例，风机被动运动中叠加叶片旋转仿真流程：  

1）导入模型与创建计算域：打开 STAR-CCM 软件，导入已设计好的包含塔筒、平台、叶片等部件的浮动式风机三维几何模型。根据风机实际尺寸与仿真需求，合理创建流体计算域，其中空气域大小一般设为风机高度的 5 - 10 倍，水域深度设为平台吃水深度的 3 - 5 倍，水平范围设为风机直径的 10 - 20 倍。随后，为计算域各边界设定条件，如入口设置来流风速风向、出口设为压力出口、风机和平台表面设为壁面边界等。  

2）建立浮动式风机六自由度体运动：在模型树中选中整个浮动式风机部件，右键选择“Create Six-DOF Body” 将其定义为六自由度体。在弹出的对话框中，依据风机设计参数准确设置质量、重心位置、转动惯量等参数。完成定义后，在六自由度体属性设置中，配置初始位置、速度、姿态和角速度等运动属性，还可根据研究需要对部分自由度进行约束。同时，在六自由度体运动求解器设置里，合理调整时间步长、求解精度等参数，时间步长通常取波浪周期的 1/20 - 1/50 。最后选择该六自由度体，右键单击选择创建六自由度体运动。该操作会在运动节点下添加一个六自由度运动，接着在该运动的基础上创建一个叠加的旋转运动，用以模拟风机叶片的旋转。  

3）设置叶片旋转：在风机模型内，选中叶片部件所在区域，在旋转区域属性设置中，将运动指定为上述设置的叠加旋转 。  

4）设置求解参数并运行仿真：依据仿真需求选择求解器（，结合波浪周期、风机响应特性与精度要求，设定合适的时间步长和总求解步数。开启关键物理量监控，如风机平台六自由度位移和角度、叶片受力、流场压力和速度分布等。完成初始化计算后，启动求解过程，并密切关注计算收敛情况和监控物理量变化。  

5）结果分析与后处理：仿真结束后，提取风机平台六自由度运动数据，生成位移、速度、加速度等随时间变化曲线，分析其在波浪作用下的运动响应。提取叶片旋转过程中的气动力、力矩等受力数据，评估叶片结构安全性。利用 STAR-CCM 后处理功能，绘制压力云图、速度矢量图、流线图等，直观分析风机周围流场分布与变化，以及流场和风机运动的相互作用，从而为风机设计优化提供依据 。

七、浮动式风力发电机系泊仿真全教程

浮动式风力发电机作为海上风电发展的重要方向，其在复杂海洋环境中的动力学行为研究至关重要。通过对浮动式风机的介绍，我们了解了其定义、特点、主要类型及应用案例，明晰了其工作原理和平台稳定性维持机制。然而，在对其进行仿真分析时，面临着多物理场耦合复杂、海洋环境不确定性以及模型简化与精度平衡等诸多难点。

采用六自由度仿真方法，在仿真中实现风机被动运动上叠加叶片旋转，深入分析两者运动叠加的物理过程，通过坐标系转换与运动分解、空气动力学模型的动态更新以及结构动力学与运动耦合求解等关键技术来实现。随着相关技术的不断发展和完善，对浮动式风机动力学行为的研究将更加深入和精确，为其设计优化、性能提升以及大规模商业化应用提供坚实的理论和技术支撑。

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