漂浮式风电机组多场耦合计算模型——OpenF2A：抱歉，我来晚了
2025年3月，一个平平常常的日子，窗外的路灯浅浅地亮着，身前的电脑屏幕亮了又暗，像是藏在里面的代码传递出来的讯号。放空的我不经意间想起了那句话：“如果想让别人用你的程序，最好的办法是给它写一篇论文”于是，为了给OpenF2A开源打造一扇大门，我又一次来到了科研最前线，正式走上了“建立模型、运行算例、处理数据、绘制图片、撰写论文”这条熟悉又陌生的路。无奈早已不复当年，成稿已至年底。好在OE效率依旧惊人，2026年2月的最后一天完成评审，为OpenF2A做好了最后一块拼图。Yang, Y., Yu, J., Bashir, M., & Li, C. (2026). Development and applicability of a novel fully coupled framework for floating wind energy systems. Ocean Engineering, 354, 124900漂浮式风电机组多场耦合计算模型
漂浮式风电机组是包括叶片、轮毂、机舱、传动系统、塔架、平台和系泊等部件的海上风力发电装备，由于受到气动力、波浪载荷、海流载荷等作用，各结构部件会产生弹性变形或刚性运动。为了适应不同风速环境，还要考虑发电机的变速控制和叶片的变桨控制。所以，为了较为准确地获取复杂海洋环境下漂浮式风电机组的动力载荷，通常需要考虑所有环境荷载与内部荷载及结构响应的耦合效应，也就是所谓的“气动-水动-伺服-弹性全耦合效应”，大部分时候也称为“一体化仿真”。OpenF2A基于OpenFAST和AQWA开发（其名取自OpenFAST-to-AQWA），是众多漂浮式风电机组一体化仿真解决方案中的一种。现有解决方案？
漂浮式风力发电概念提出时间很早，可以追溯到50年以前。2005年OC3（Offshore Code Comparison Collaborative）项目正式启动后，漂浮式风电机组一体化仿真逐渐引起学界关注。随着过去20余年的仿真技术发展，迄今已有几十种商用型、自用型和开源型的一体化仿真软件。由DNV开发的SESAM是其中最成功的之一。其他商用一体化仿真软件还包括Bladed、HAWC2、OrcaFlex、QBlade-EE、Simpack、DeepLines Wind等，每个软件都有各自的优点。Bladed也是DNV的产品，风电机组整机厂商必备。OrcaFlex也是一个非常好的软件，具有较强的开放性，系泊缆动力分析结果比较可靠。（可能说的不准确，有错误还请帮忙纠正
）自用型软件还有很多，但由于开放渠道有限，披露信息较少。开源软件主要包括OpenFAST和QBlade-CE。QBlade-CE（QBlade Community Edition）是QBlade的开源版本，另一个商用版本QBlade-EE（QBlade Enterprise Edition）功能比较强大。最为知名、使用最为广泛的开源软件，还是由前不久更名为洛基国家实验室（National Laboratory of the Rockies, NLR）的美国可再生能源实验室（NREL）开发的OpenFAST，前身为FAST，发布第一版FAST至今已有30年。因为免费和开源这两大特点，特别适合用户开发特定的新功能，所以在高校被广泛使用，近几年在工业界的热度也非常高。为什么要开发OpenF2A？
这段故事需要回到2019年，似乎讲过很多次
当时正在英国做博士后，参加了由葡萄牙里斯本大学Carlos Guedes Soares教授主持的EU-Interreg项目ARCWIND，由我们负责开展结构健康监测的研究。项目参与单位西班牙公司Esteyco提出了一种多体浮式平台Telwind，包括上下两个tank，中间由高强度筋腱连接。健康监测需要结构动力响应数据，上游无法提供，无奈只能自己计算。但好像已有的软件似乎是不能用于这个模型的一体化仿真的。
那时我也是刚接触浮式风电，对浮体相关软件都不熟悉。但我们课题组（上海理工大学李春教授课题组）用AQWA计算浮式风电平台响应很多年了，在丁师兄的影响下了解到AQWA有个user_force接口，也可以算多体模型。虽然那时我也不懂AQWA，当时还是决定基于FAST和AQWA做一个二次开发。在这样一个巧合的背景下，F2A应运而生。（Yang, Y., Bashir, M., Michailides, C., Li, C., & Wang, J. (2020). Development and application of an aero-hydro-servo-elastic coupling framework for an alysis of floating offshore wind turbines. Renewable Energy, 161, 606-625.）F2A发布后，因为解决了基于AQWA的一体化仿真问题，受到了一定的关注，论文至今已被引用了230次。而且还被高手发掘了用于漂浮式风浪集成能源系统动力仿真的潜力
当时虽然已经有了OpenFAST，但由于我博士课题是做固定式基础海上风电机组地震动力响应分析，基于FASTv7拓展了一点点地震、桩土和结构控制相关的仿真功能，所以在开发F2A的时候，选择了自己最熟悉的版本。现在看来是正确的，不然F2A的生产日期估计要延后很久。但FAST v7存在不少问题，基于叶素动量理论和模态法的传统模型，难以适用于大型风电机组长柔叶片的气动弹性仿真，升级F2A迫在眉睫。OpenF2A框架开发及验证
2020年完成了OpenF2A初步版本的开发，后续又做了一些改进，以适用于多风轮、风能-潮流能集成系统等模型的一体化仿真。
今年发表的OpenF2A开源论文，重新画了几个图解释核心的内容，改进了耦合算法，验证了对漂浮式风浪集成能源系统一体化仿真计算的适用性。OpenF2A与F2A的耦合框架基本一样，AQWA负责浮体和系泊，OpenFAST负责风电机组。两者在平台-塔基交接面进行运动-载荷数据传递。
运动转换：平台重心转至平台参考点（静水面位置），坐标系保持全局坐标系不变。相比于F2A采用的小角度假设的近似变换矩阵，OpenF2A采用了欧拉角变换，保证了大倾角工况的运动变换精度。载荷变换：塔基位置变换到重心位置，局部坐标系变换至全局坐标系。和OpenFAST的一体化计算结果比较，吻合度还是挺好的，说明耦合接口没太大问题。其他模型也有对比结果，这里就不放了。用过的都表示比较满意
OpenF2A开源信息
2026年3月9日，已经正式将代码、算例等关键数据都上传到 GitHub 开源 社区了，下载链接：所有文件可以通过release下载，包括一个40页PPT的英文版简介，简单介绍了如何使用OpenF2A。更多具体信息可以点击阅读原文，跳转Github仓库。OpenF2A的接口输入文件很简单，一般只需要定义三个参数：- OpenFAST的主输入文件（*.fst）的文件名，包含相对于InputforOpenF2A.txt这个文件的相对路径。
- AQWA中与塔架连接的浮体编号，一般是1。风浪集成系统等多体模型的话需要查看AQWA中定义确认。
- 风电机组坐标原点与AQWA中全局坐标系原点的偏移向量，一般是 0 0 0，塔架放在侧立柱时，需要重新定义这一参数。眼尖的人已经发现了，输入文件中有一个number of wind turbine的定义。这是因为OpenF2A有一个多风轮模型的版本——MultiF2A。 保留这个定义，是想给不知道MultiF2A的人一个答案——基于OpenF2A进一步做二次开发，是可以实现多风轮仿真的。（我们2023年10月开发完并列式、2024年6月开发完串列式双风轮模型一体化仿真程序）。 基于MultiF2A，可以计算多风轮、多机组的漂浮式风电系统，包括风能-潮流能集成系统。2026年1月份，我们在Energy上发表了一篇关于潮流能装置运行模式差异对风能-流能集成系统影响的论文，算是MultiF2A的首次正式亮相。 Liu, W., ZHANG, Z., Lai, Y., Hu, G., Yu, J., Li, C., ... & Yang, Y. (2026). Stability and power performance of a floating wind-current energy system under tidal turbine operating mode variations. Energy, 140209. 之前我们关于风能-潮流能的论文，考虑了潮流能水轮机的水动-伺服效应，这次考虑了水轮机的惯性和弹性效应，完成了水动-伺服-弹性全耦合仿真。相比于之前的工作，算是一个不大不小的突破吧，毕竟程序在2023年就开发完了。 最后被推荐至《工程热物理学报》上发表（余洁, 赖踊卿, 杨阳, 李春. 双机组浮式风力发电系统全耦合动态响应特性研究 [J]. 工程热物理学报, 2025, (3): 761 -767 . ）
OpenF2A的特点
跟已有的漂浮式风电机组一体化仿真解决方案相比，OpenF2A有几个特点。从拔高一些的角度，可以说：1. OpenF2A分开计算浮体-系泊和风电机组的动力响应，所以浮体-系泊相关的动力分析可以采用稍大的时间步长，加快仿真速度。OpenFAST属于计算比较快的，和OpenFAST相比，OpenF2A计算速度提升了40%以上。不过AQWA可以选择计算浮体表面的水压力，计算速度与浮体的面元网格数量有一定关系。
2. OpenF2A可以计算浮体湿表面的水压力，并导入到ANSYS-Mechanical模块开展平台结构强度分析。没有F2A之前，基于AQWA-Mechanical的这套结构分析流程，水压力系数是没有考虑风电机组-平台耦合效应的。已有的仿真解决方案中，SESAM可以实现相似的功能，OrcaFlex听说最近也更新了，其他类似于Bladed、HAWC2、QBlade、OpenFAST似乎好像是不行（但他们有别的优点）3. OpenF2A可以发挥AQWA的功能，建立风-浪集成能源系统的多物理场耦合计算模型。已有的漂浮式风电机组一体化仿真解决方案，除了SESAM明确可以做之外，其他的似乎有点困难。在F2A开源之前，似乎没怎么看到考虑漂浮式风电机组与波能装置全耦合仿真的论文，但是开源后，出现了很多的相关研究。有一些提到了是用F2A做的，有一些是自己开发的。从这一点讲，我觉得F2A开源对风能研究领域还是有一点意义的，不仅可以做出直接贡献，也可以做出间接贡献（激发研究者的开发灵感）。4. 另外，OpenF2A开源后，可以供大家二次开发。比如漂浮式风电机组半物理模型水池试验中，就可以采用OpenF2A的代码作为数值模拟部分，计算风电机组的气动载荷，通过水池物理模型代替AQWA考虑浮体和系泊，实现半物理水池试验中的气动-水动全耦合。1. OpenF2A本质上是一个AQWA的动态链接库，没有充分发挥OpenFAST开源免费的特点，依然没有脱离商用软件的影响。
2. 使用OpenF2A建模仿真对于大部分用户具有一定的难度。因为需要同时掌握AQWA和OpenFAST两个软件，且OpenFAST作为开源软件没有界面，新手学习起来比较困难。3. OpenF2A需要通过AQWA计算浮体和系泊动力响应，浮体只能建模成刚体。在风电机组大型化发展的趋势下，为了适用于15MW、20MW甚至25MW的风电机组，浮体尺寸会越来越大。立柱间距接近100m可能就在不远的将来。对于这类大型浮体，在一体化动力仿真中，十分有必要考虑浮体的弹性。这是OpenF2A无法实现的，但Bladed、HAWC2、QBlade、OpenFAST好像是可以的，这是OpenF2A的另一不足之处。
尽管OpenF2A有一些不足之处，但也是一种选择。人们常说，多个朋友多条路。对于一体化仿真而言，多个选择也可以增加一点确定性。希望它可以在大家的研究中做出一定贡献。特别致谢
OpenF2A面世，需要特别感谢的是天津大学张玉明博士。那时F2A刚发布，在丁师兄的引荐下，认识了天津大学的张玉明博士。因为他博士课题需要，我们一起讨论了基于FASTv8开发了F2A的技术细节。当时我还在英国，我俩几个月里面几乎每天都在讨论，由于微 信聊天过于密集，甚至引起了洁妹的小醋意。（其实我们第一次见面，还是在2025年漂浮式风电机组一体化仿真计算导则的国标启动会上）。张博士确认了平台自由度替换和求解的ElastoDyn代码位置，为我后续开发OpenF2A节省了大量时间。后续模型补充
由于时间问题，目前在Github中只上传了OC3 Hywind和OC4 DeepCWind两个5MW漂浮式风电机组模型。后续经过仔细确认模型没有问题后，还会继续上传10MW、15MW和22MW的等浮体模型的数据。为什么要开源OpenF2A？
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首次发布时间：2026-03-20
最近编辑：5月前
