在异常海浪和极端运行风速条件下，15兆瓦半潜式浮筒风力涡轮机的动态响应分析

《Ocean Engineering》：Dynamic response analysis of a 15 MW semi-submersible FOWT under the freak wave and extreme operation gust

本研究建立全耦合气水结构锚泊模型，分析15MW半潜式漂浮式风力涡轮机在异常风浪与离岸风复合作用下的动态响应。揭示了气动力卸载-反弹-撞击非线性耦合机制，导致塔身弯矩激增近三倍，并识别系泊系统不同失效模式：迎风侧缆线受波浪频冲击险，背风侧缆线因低频风浪反弹承受危险突发载荷。摘要：

　　

刘宝龙|于建兴

天津大学土木工程学院，天津水利工程智能建造与运行国家重点实验室，天津港口与海洋工程重点实验室，中国天津300350

摘要

超大型浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）的运行生存能力受到极端海洋环境的严重挑战。本研究通过数值方法研究了15兆瓦半潜式FOWT在异常海浪（freak waves）、极端运行阵风（EOG）及其共同作用下的动态响应。基于DNV Sesam建立了完全耦合的空气-水力-结构-系泊模型框架。在三种确定性情景下评估了15兆瓦系统的瞬态响应。小波分析用于表征系统响应的时频能量分布。结果表明，虽然异常海浪主导了高频的升降运动，但极端运行阵风主要引起大幅度低频的纵荡和俯仰运动。关键的是，在极端运行阵风和异常海浪的共同作用下，揭示了一种空气动力卸载-反弹-撞击的耦合机制。阵风期间空气动力推力的突然下降导致平台反弹，这与异常海浪的冲击同步，放大了浮体的运动。这种非线性耦合效应导致塔基弯矩几乎增加了三倍。此外，系泊系统也出现了不同的失效模式：迎风侧缆绳受到波浪频率冲击的威胁，而背风侧缆绳则因低频阵风反弹而承受危险的安全载荷。这些发现为超大型FOWTs在复杂极端海况下的结构安全设计提供了关键的定量见解。

引言

经济发展离不开高效能源利用的支持。作为一种清洁和可再生能源，风能的发展有助于解决气候危机（Yolcan, 2023）。它可以通过减少对传统化石能源的依赖、降低能源成本以及促进当地经济发展来实现可再生能源的高质量发展（Soares-Ramos等人，2020）。国际可再生能源机构（IRENA）指出，近年来风能等可再生能源的发电量稳步增长（IRENA. 可再生能源统计，2024）。

随着海上风电的蓬勃发展，风能部署正逐渐向深海扩展。对于浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）而言，其浮体具有良好的机动性和易于拆卸的优点（Wang等人，2023），这吸引了更多关注。然而，FOWTs的运行环境将面临严酷且不可预测的海洋条件。台风、异常海浪和内波等极端海况的时机、规模和破坏力仍然高度不确定（Song等人，2025；Soydan等人，2025；Ren等人，2025）。特别是异常海浪，以其异常高的波高、不可预测的发生模式和极小的周期性（Tang等人，2016）对结构完整性构成严重威胁。同样，极端运行阵风以其突然的高风速和短暂持续时间也会严重影响运行稳定性和结构安全（Zhou等人，2022）。这些强烈的非线性极端海况会导致浮体产生大幅运动，并引起空气动力载荷的突然变化，从而引发诸如俯仰系统失效、系泊断裂、浮体损坏和叶片断裂等关键故障，严重威胁FOWTs的安全（Bae和Kim，2013；Li等人，2018a；Qu等人，2020a）。

最近的研究对FOWTs对异常海浪的响应提供了关键见解。Zhang等人通过实验评估了浮动能源系统在规则波、不规则波和异常海浪下的动态响应，表明该系统通过波浪能量装置的非线性旋转和恢复扭矩显著抑制了浮体的俯仰运动（Zhang等人，2026）。Meng等人（2025）建立了FOWT的耦合模型，并引入了波浪叠加方法，系统分析了异常海浪对FOWT响应的影响。研究表明，异常海浪放大了平台运动，显著增加了系泊缆绳的张力和机舱的轴向加速度。Li等人（2025a）提出了一种生成异常海浪的新方法，揭示了FOWT响应的研究，并量化了不同形式异常海浪对细长部件的差异性威胁。研究结果表明，以低谷为主的异常海浪对结构响应的影响最为显著。同时，Zhong等人（2023）通过参数研究聚焦波峰幅度、位置和入射角，系统评估了半潜式FOWT的响应。Zeng等人（2023a，2023b）的研究结果则相反，以高波峰为主的异常海浪使浮体受到更剧烈的运动。Wang等人（Nederkoorn和Seyffert，2022）通过纳入系泊缆绳失效情景扩展了这一研究领域。Nederkoorn等人（Qu等人，2020b）发现，在异常事件中Spar型FOWT的响应保持在设计限值以下，并警告不要低估其累积效应。Qu等人（Li等人，2023）发现了极端波高与峰值响应之间的时间滞后。Li等人（Li等人，2024b；Kanev和van Engelen，2010）建立了异常海浪特性与Spar型FOWT高频多自由度（DOF）运动之间的定量关系，强调了深谷事件的危险性。

研究FOWTs在极端运行阵风下的动态响应对于优化空气动力学设计、延长运行寿命至关重要（Lakshmanan等人，2024）。目前的极端运行阵风研究主要集中在高保真风速建模、先进控制策略和耦合的结构-流体动力学分析上。Lakshmanand等人（Alam等人，2025）应用深度学习模型在实验和模拟中可靠地检测极端运行阵风。Wang等人（2025）对极端运行阵风下的系泊系统进行了耦合动态研究，量化了FOWT响应对阵风持续时间和幅度的敏感性。Zhang等人（2023）研究了半潜式FOWT上的系泊缆绳如何失效，并提出了极端运行阵风载荷下的停机序列优化策略。Li等人（2025b）分析了极端运行阵风下的FOWT响应，并重点研究了停机策略的效果。研究表明，停机策略使FOWT更快地达到其峰值响应。

尽管取得了这些进展，但仍存在明显的研究空白。首先，大多数现有研究集中在小容量FOWTs上。超大型涡轮机（如IEA 15兆瓦参考涡轮机）的动态特性由于结构自然频率较低和惯性较大而存在显著差异，这使得它们可能对极端运行阵风的低频激励更加敏感。其次，虽然极端运行阵风和异常海浪已分别进行了研究，但在实际极端天气事件中它们之间存在强烈的相关性（Mori，2012；Due?as-Reyes等人，2025）。极端运行阵风的空气动力冲击与异常海浪的水力撞击之间的非线性耦合机制仍需进一步探索。

为了解决这些空白，本研究建立了15兆瓦半潜式FOWT的耦合空气-水力-结构-系泊模型，以研究其在极端运行阵风和异常海浪共同作用下的动态响应。定义了三种确定性海况情景，以量化它们对FOWT的影响，包括浮体运动、系泊缆绳张力和塔架载荷。通过分析极端运行阵风和异常海浪的联合效应，本研究突破了单独模拟极端事件的局限性，分析了空气动力卸载-反弹-撞击的非线性耦合机制，并探讨了阵风引起的大幅度摆动运动对异常海浪水力冲击的放大效应。同时，本研究结合小波分析和完全耦合的空气-水力-结构-系泊框架，定量表征了低频风激励与波频水动力载荷之间的能量传递关系。在时域和频域中评估了FOWT在异常海浪和阵风共同作用下的动态响应特性。研究结果旨在为大型FOWTs在各种海洋灾害共同作用下的结构安全设计提供理论基础。

其余部分的结构如下。第2节描述了15兆瓦半潜式FOWT的几何和结构特性。第3节介绍了耦合建模框架以及极端运行阵风和异常海浪的数值生成方法。第4节使用基准数据验证了数值模型。第5节分析和比较了选定环境情景下的时域响应和能量特性。最后，第6节总结了主要结论并指出了未来研究的方向。

部分摘录

15兆瓦半潜式FOWT

研究对象是一个15兆瓦的半潜式FOWT，包括浮体、上部结构和其系泊系统。该风力涡轮机由缅因大学（UMaine）和国际能源署（IEA）共同开发（Allen等人，2020；Gaertner等人，2020）。这是美国首个并网浮动风力发电项目的原型。浮体采用四柱式钢制半潜平台，包括一根中心柱和三根外侧柱。

方法论

在本部分中，简要介绍了用于分析极端海况下FOWT响应的耦合模型框架。多个子模型以耦合方式协同工作，形成一个完整的系统模型。我们主要介绍了框架中的核心子模型，包括空气动力学模型、水动力模型和动态系泊模型。此外，还在空气动力学和水动力模块中介绍了极端运行阵风和异常海浪的模拟方法。

风和波浪的模型验证

极端运行阵风是一种极端环境，在这种环境下风速在短时间内发生剧烈变化。根据极端运行阵风的计算公式，其速度在焦点区域发生变化，在焦点区域之外保持恒定。因此，一方面，本节比较了风速变化的时间序列；另一方面，通过几个影响极端运行阵风特性的参数来验证极端运行阵风模型。根据Zhang等人（2023）建立的极端运行阵风模型，我们也使用了风速

环境条件定义

经过验证的FOWT模型随后在图8所示的环境矩阵下进行时域模拟。在本研究中，波浪情景包括随机波和异常海浪，风况包括稳定风和极端运行阵风。为了量化异常海浪和极端运行阵风对15兆瓦FOWT响应的影响，将这些条件组合成三种情况：情况1为随机波和额定风速，作为分析基准。情况2代表

结论

本研究建立了一个15兆瓦半潜式FOWT的耦合空气-水力-结构-系泊模型，以研究其在极端运行阵风和异常海浪共同作用下的动态响应。通过将时域模拟与小波分析相结合，研究发现，虽然异常海浪和极端运行阵风分别引起不同的高频升降运动和低频纵荡-俯仰运动，但它们的同时发生触发了一种关键的非线性耦合机制。

CRediT作者贡献声明

刘宝龙：撰写——原始草稿，监督，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。于建兴：撰写——审阅与编辑，撰写——原始草稿，可视化，监督，软件，调查，形式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

不适用。