风能作为清洁能源和可再生资源，具有储量丰富、利用率高等诸多优点。我国的风能资源储量为3.226×1012 W，其中工程实际可开发电量为2.53×1011 W，开发潜力巨大[1]。利用风能发电的风机结构主要形式分为两种，即陆地风机和海上风机。海上风机相比陆地风机对土地资源需求更少，受风场要求等客观限制也相对更小。随着海洋资源开发的不断扩张，对清洁能源的需求量不断加大，我国海上风机的建设以及支持力度都在逐渐加大，设计理念、关键性技术以及配套产品已经日渐成熟。在设备生产和安装成本降低的条件下，对海上风机的研究和应用都成为海洋工程领域所关注的热点问题。按照固定形式不同，海上风机又可分为固定式风机（图1 a）和浮式风机（图1 b）。随着我国对海域使用管理的严格化和规范化，近岸海域的开发和使用受到了严格限制，深海海域的开发则成为海洋资源开发的重点。由于深海情况下固定式风机成本极高，其建设已经逐渐减少，浮式风机得益于其可以以较低成本适应于深海海域环境、风能利用率较高和发电效率稳定等优点，已成为当今海洋风电所主要使用的发电装置。

根据我国《可再生能源发展“十三五”规划》，截至2020年，我国海上风电开工建设的目标规模10 GW，确保并网5 GW。要达到并网容量目标，2017—2020年海上风电机并网容量复合增长率将达到32%。这对我国海上风机发电效率及风机结构的稳定性和安全性提出了更高要求。尽管国内外对于海上浮式风机动力特性已有诸多研究，但一些关键性问题仍有待于解决，一些关键技术还需进一步优化，如风机在特殊海域环境下的动力特性及风机智能化自驱动研究等。因此，开展对海上风机基础设施性能研究，对提高风机工作效率和安全性有重要意义。

本研究系统分析了国内外海上浮式风机性能研究中存在问题，结合我国南海海域实际海况特征，对海上风机结构稳定性和锚泊系统安全性研究提出合理化建议；从研究问题和理论方法多样化角度寻求海上浮式风机研究方向；提出智能化风机发展方向，旨在为海上浮式风机动力特性研究提供方向，对工程结构设计和工程安全有重要指导意义。

1 海上浮式风机研究现状

海上浮式风机由风机叶片、主体结构、浮式基础结构和锚泊系统构成，如图2所示。工作时，风机上的叶片受到气流的作用，作用力会传递到主体结构上，浮式平台受到流体的作用，作用力会传递给锚泊系统。因此，对海上浮式风机的研究分为空气动力学研究、水动力学研究、锚泊系统研究以及耦合研究。

1.1 风机空气动力学研究现状

对风机叶片的空气动力特性开展的早期研究多基于动量—叶素理论和涡尾迹方法开展。Glauert[2]提出了动量—叶素理论，并运用于叶片旋转运动中空气流动的分析。Wilson等[3]基于动量—叶素理论对风机叶片的空气动力学问题进行了研究。Gohard[4]采用涡尾迹方法对风机叶片的空气动力学问题开展了解析研究。Gupta[5]采用涡尾迹方法对风机叶片的非定常空气流动开展了计算研究。

近年来，基于流体运动理论的方法也用于风机空气动力学研究中，流体运动理论可分为势流理论和黏性流理论，前者基于理想流体假设建立，即流体无黏和流动无旋，后者考虑流体黏性和流动有旋性。Preuss等[6]和Whale等[7]分别基于势流理论对定常和非定常流作用下的叶片受力、运动以及空气流动特征开展了研究。但由于无法考虑黏性效应，基于势流理论的研究仍存在预测准确性上的问题。因而，近年来基于黏性流理论对风机空气动力学的研究被相应地提出并得到开展。Lu等[8]基于黏性流理论对均匀气流作用下风机叶片运动和尾部气流形态特性开展了研究。任年鑫[9]基于黏性流理论建立了二维数值计算模型，并对翼型结构空气动力学特性开展了研究。Zhou等[10]基于黏性流理论建立了三维数值计算模型，并对风机叶片分别在顺风气流和逆风气流作用下的运动以及气流流场特征开展了研究。

1.2 浮式风机水动力学研究现状

浮式风机的浮式平台基础结构包括单柱式（Spar）基础、张力腿式（TLP）基础和半潜式（Semi-sub）基础，如图3所示，不同的基础结构形式适用于不同深度的海域。对于风机浮式基础结构的水动力学研究是当今海洋工程领域的热点和难点问题。对于海洋中受到流和波浪的作用的浮式结构，尤其在深海海域，较大速度的流和强非线性波浪作用下结构上流体作用荷载和运动响应是工程安全性研究所考察的重点问题。

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0712/629.html

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