应用开放边界光滑粒子流体动力学模拟真实极端条件下漂浮式海上风力发电机的动力学响应

《Coastal Engineering》：Using smoothed particle hydrodynamics with open boundaries to model floating offshore wind turbines in realistic extreme conditions

为解决真实极端海况（如波流共存与碎波）下漂浮式海上风力发电机（FOWT）动力学预测的难题，研究人员基于开放边界的光滑粒子流体动力学（SPH）方法，开发了一种新型数值水槽框架。研究发现，对于特定系泊配置，平台纵荡与垂荡主要由波浪激励主导，同时受流速影响；在伴随剪切流的波浪及碎波条件下，平台纵摇呈现独特的两阶段响应，最大角度可达14.5°。通过优化系泊设计（如将缆索长度增加0.4米），能将极端纵摇角从14.5°大幅降低至4.6°，系泊张力从533.7 N降至58.7 N。这项研究为极端环境下FOWT及其他海上可再生能源（ORE）系统的设计与安全评估提供了有力的数值仿真工具。

　　

随着全球对气候变化和能源消耗的日益关注，海上可再生能源，特别是海上风能，正迎来巨大的发展机遇。在水深超过50米的深海区域，配备系泊系统的漂浮式风力发电机（FOWT）成为首选方案。然而，其设计、安装和长期安全运行面临着来自海洋环境的严峻挑战。真实的海况往往是复杂多变的，其中波流共存条件（如波在垂向剪切流上传播）以及破碎波（如碎波）是极其普遍但研究较少的极端事件。它们会显著改变波浪特性和荷载，对FOWT的流体-结构相互作用（FSI）产生强烈影响，潜在地增加系泊负载和结构疲劳风险。准确预测这些真实极端条件下的FOWT动力学响应，对于其优化设计和安全运行至关重要。然而，精确模拟这些复杂的物理过程存在巨大困难。例如，传统的势流理论无法直接模拟剪切流，而网格类计算流体动力学（CFD）方法在处理具有高度变形边界和强非线性自由表面的问题时也面临挑战。因此，开发能够有效模拟真实极端条件下FOWT响应的新方法，成为海洋工程领域亟待解决的问题。为此，来自纽卡斯尔大学（英国）的研究团队开展了一项创新研究，旨在开发并验证一个基于光滑粒子流体动力学（SPH）并采用开放边界条件的数值框架，用于模拟半潜式FOWT在波流共存及碎波等极端环境下的动力学响应。相关成果已发表在《Coastal Engineering》期刊上。

为开展这项研究，作者们主要运用了几个关键技术方法：

1. 1.
   核心求解器为开源的弱可压SPH（WCSPH）代码——DualSPHysics。这是一种无网格拉格朗日方法，将流体域离散为一系列携带物理属性的粒子，避免了网格连接问题，擅长处理复杂的自由表面流动和FSI问题。
2. 2.
   边界条件处理：采用改进的动态边界条件（mDBC）来准确模拟结构物边界；使用周期性边界条件（PBC）处理侧壁；最关键的是运用开放边界条件（OBC）和缓冲粒子来生成和控制波浪及波流条件。
3. 3.
   流固耦合与系泊模拟：将FOWT视为刚体，通过求解其运动方程与流体进行耦合计算。系泊系统则通过耦合一个集中质量离散化的系泊线模型MoorDynPlus来模拟，实现了平台与系泊的实时动力学交互。
4. 4.
   波流与碎波生成方法：对于规则波，基于二阶斯托克斯波理论生成输入条件。对于波流共存和碎波等极端条件，采用了迭代波聚焦方法，通过一个独立但更快速的拉格朗日模型预先计算出水面高程和流速数据，作为SPH水槽入口边界的输入条件。
5. 5.
   数值水槽设置与模型验证：研究分为三个主要验证阶段。首先，在规则波条件下，将FOWT的平台运动（纵荡、垂荡加速度）与已有实验数据进行对比验证。其次，将生成的波流共存（在剪切流上的聚焦波）和碎波条件，与已有的拉格朗日模型输入数据进行对比，以确保水动力条件的准确性。最后，基于验证后的模型，研究真实极端条件下FOWT的动态响应，并探索了系泊设计改进的效果。

3. FOWT平台动力学的验证

研究人员首先对FOWT在规则波中的动力学响应进行验证。他们基于DeepCwind半潜式FOWT设计构建了模型，并将其SPH模拟结果与Tan等人的实验测量结果进行对比。他们测试了三种不同的初始粒子间距（d_p）进行收敛性分析，发现当d_p= 0.00375 m时，模拟结果在精度和计算成本之间达到了良好平衡。模拟的表面高程与二阶斯托克斯波理论吻合良好（图2）。更重要的是，SPH模型预测的平台纵荡和垂荡加速度与实验数据表现出很好的一致性（图3, 图4）。纵摇运动的对比虽然存在小幅均值偏移，但在幅值和相位上总体可以接受（图5）。这些验证证明了SPH模型结合开放边界条件能够准确模拟FOWT在规则波中的基础动力学行为。

4. 在波流共存条件下评估FOWT

在成功验证了FOWT平台动力学后，研究转向更复杂、更接近现实的波流共存环境。研究的波流条件是基于Chen等人对垂直圆柱体在剪切流上聚焦波荷载的实验工作。研究人员在SPH水槽中，使用迭代波聚焦方法生成精确的入口边界条件，成功复现了波在跟随剪切流、无流和逆向剪切流上的三种聚焦波条件。图7和图8显示，SPH模拟的水面高程与用作输入的拉格朗日模型结果高度一致，RMSE（均方根误差）值极低，验证了SPH模型准确生成复杂波流条件的能力。

为了与波流实验的水深（0.5 m）保持一致，研究对FOWT模型进行了弗劳德数缩放（比例5:3），将模型缩尺由原来的水深0.3米调整为0.5米。验证表明，缩放后的模型在规则波中的响应同样与实验数据吻合良好（图10），确保了模型在目标尺度下的可靠性。

随后，研究人员将FOWT模型置于验证过的三种波流共存环境中，考察其动态响应。他们发现，对于所研究的系泊配置，平台的纵荡和垂荡运动主要由波浪激励主导，但流的存在通过改变波浪诱导的运动学和平台平均位置也会产生影响。特别值得注意的是，平台纵摇运动在波流共存和碎波条件下呈现出独特的两阶段响应（图12）。在波伴随跟随剪切流的条件下，纵摇角最大可达约14.5°。这突显了在设计中考虑此类极端条件的重要性，因为过大的纵摇角会影响上部空气动力学和传动系统负载。

5. 在碎波条件下评估FOWT

研究的另一重点是碎波条件，这也是海洋环境中常见的极端现象。研究人员同样基于Esandi等人的实验，在SPH水槽中成功地生成了碎波和近碎波条件（图14）。将FOWT置于这种条件下，他们观察到了与波流共存条件下类似的两阶段纵摇响应，表明碎波冲击对平台动力学产生了显著的、复杂的非线性影响（图15）。这进一步证实了准确模拟极端波浪事件对于FOWT结构安全评估的必要性。

6. 结论

本研究成功开发并验证了一个基于开放边界SPH的数值框架，用于模拟半潜式漂浮式海上风力发电机（FOWT）在真实极端海洋条件下的动力学行为。主要结论如下：

1. 1.
   模型验证： SPH模型能够准确地复现规则波、波在垂向剪切流上传播的条件以及碎波条件。FOWT平台在规则波中的动态响应与实验数据吻合良好，为后续极端工况研究奠定了基础。
2. 2.
   极端条件下FOWT响应： 研究表明，在波伴随剪切流传播或碎波条件下，FOWT的动力学响应表现出显著的非线性和复杂性。平台的纵荡和垂荡运动主要受波浪激励影响，而流会通过改变波致运动学来施加影响。纵摇运动则呈现出独特的两阶段响应，在波伴随跟随剪切流的情况下，最大纵摇角可达约14.5°，这可能对风力机的气动性能和传动系统载荷产生严重后果，强调了在设计中捕获这些现象的重要性。
3. 3.
   系泊设计优化： 研究还初步探讨了系泊设计对平台响应的缓解作用。通过一个简化的案例，研究人员展示了优化系泊配置的可能性。例如，将初始长度为1米的系泊线增加0.4米后，观察到的极端纵摇角从14.5°大幅降至4.6°，同时系泊张力从533.7 N锐减至58.7 N。这证明了利用先进的数值工具进行系泊系统精细化设计，可以有效降低极端载荷，提升FOWT的生存能力。
   总而言之，这项工作提出并证明了一种新颖、灵活且强大的SPH建模框架。该框架利用开放边界和修改后的阻尼区，能够为FOWT及其他海上可再生能源（ORE）系统在真实极端海洋环境（包括波流共存和碎波条件）下的动力学响应评估和设计优化提供支持，弥补了当前研究领域的知识空白，具有重要的工程应用价值。