图1 海上风机Fig. 1 Sketch of wind-turbine

图2 浮式风机结构Fig. 2 Floating wind-turbine structure

图3 浮式风机基础结构示意Fig. 3 Sketch of floating wind-turbine infrastructures

浮式基础结构水动力特性研究的基础流体运动理论为势流理论和黏性流理论。早期对浮式基础结构的流体荷载和运动响应的研究大多基于势流理论开展。阮胜福[11]基于势流理论采用三维计算模型研究了浮式基础结构在波流共同作用下的流体作用力和运动响应特征。何江贤[12]基于势流理论建立了三维数值计算模型，并对波流作用下浮式基础结构的水动力特性开展了研究。由于波浪与浮式基础结构相互作用时可能存在波浪破碎、越浪和气液掺混等复杂自由面问题，并且在流固相互作用过程中可能存在黏性效应和比尺效应等问题，这些均是基于势流理论建立的研究方法所无法实现和考虑的，因而黏性流理论越来越多地被应用于浮式基础结构的水动力特性研究中。Bredmose等[13]基于黏性流理论采用VOF自由面捕捉方法考察了波浪对浮式基础结构的冲击作用和波浪破碎现象。Tran等[14]基于黏性流理论对波浪作用下半潜式风机基础结构的水动力特性开展了数值研究，并将黏性流结果与势流理论下的结果进行了对比分析。Cheng等[15]考虑了风机的上部叶片分别处于工作和非工作两种状态，基于黏性流理论对浮式基础结构的水动力特性开展了数值计算研究。Dunbar等[16]基于黏性流理论建立了三维数值模型，对水深较大情况下半潜式风机基础结构的水动力特性开展了数值研究，通过与商业软件计算结果的对比，验证了其模型的正确性。

1.3 锚泊系统水动力学研究现状

为了简化模型，通常将锚泊系统分为细长杆和悬链线两种形式来开展研究。早期的研究以细长杆锚泊模型为主，Garrett[17]提出了具有弹性并可以改变为任意形状的细长杆锚泊模型，可以考虑锚泊拉力和流体荷载，并应用于相应的研究中。Arcandra[18]将Garrett[17]提出的细长杆模型加以改进，考虑材料的非线性，并研究了锚泊在流体作用下的应力应变特性。随着计算求解方法的不断进步，悬链线锚泊模型被提出并广泛应用于锚泊系统的水动力学研究中。Smith等[19]基于势流理论采用拉格朗日迭代法对悬链线锚泊的水动力特性开展了解析研究。Chai等[20]考虑了柔性材料，基于势流理论提出了悬链线锚泊分别处于完全悬垂和部分着底状态下荷载的计算方法。Brommundt[21]等基于势流理论优化了悬链线锚泊模型，并对半潜式基础结构在波浪作用下的水动力特性开展了数值计算研究。Zhang[22]基于黏性流理论，对半潜式基础结构在风、浪、流共同作用下锚泊系统的水动力特性开展了数值计算研究。此外，Musial等[23]结合实际海况，分析讨论了不同浮式基础结构下悬链线锚泊和垂直锚泊优缺点。

图4 锚泊系统模型Fig. 4 Mooring system model

1.4 耦合研究现状

随着对风机部分结构空气动力和水动力特性相关研究的广泛开展和逐步深入，对海上浮式风机的耦合动力特性研究也逐渐被海洋工程领域学者重视并得到了开展。Withee[24]建立了浮式风机的耦合动力计算模型，并对风和非线性波浪作用下的浮式风机所受外部荷载以及整体运动响应开展了数值模拟研究。Skaare等[25]应用 SIMO/RIFLEX和HAWC2软件对风机与浮式基础的耦合动力特性进行了数值模拟。Jokman [26-27]基于势流理论建立了可以考虑风和流共同作用下浮式风机动力特性的耦合计算模型，并在频域内对浮式风机在浅水和深水状态下的荷载和运动响应开展了数值计算研究，分析了不同水深情况下风机的发电性能和成本，综合考虑和讨论了经济效益问题。Zhang等[28]建立了浮式风机的耦合计算模型，其中空气动力计算采用解析方法，水动力计算采用WAMIT软件，锚泊系统荷载采用有限元方法进行计算，并采用该耦合模型对Spar浮式风机的荷载和运动响应问题开展了数值模拟研究。Zhang等[29]基于势流理论建立了可以考虑海上浮式风机在风、浪、流联合作用下动力特性的耦合计算模型，对深水条件下WindFloat 型半潜式浮式风机的动力特性开展了数值模拟研究。Zhao等[30]采用空气动力学理论、水动力学理论和多浮体运动学理论对超大型半潜浮式风机开展了动力学特征耦合计算研究，发现在低频激振风荷作用下，系统脉动分量和运动有显著增加。对于浮式风机耦合计算分析研究而言，基于黏性流理论开展的研究仍处于有待完善的阶段，其中一些耦合计算方法、数值离散方法和结构物运动响应计算方法等方面仍有待于进一步优化和改进。

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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