开发并验证了一种逐步耦合模型，用于评估海上浮动风能-水产养殖集成平台（该平台采用了柔性网材）的性能

海上风电-养殖一体化平台动态响应预测方法研究，提出基于Screen模型与ANSYS AQWA耦合的数值分析方法，集成自研Python程序实现非线性水动力载荷计算，验证显示该方法较传统Morison模型在平台运动和系缆张力预测中精度更高，特别适用于复杂流场干扰下的柔性网结构分析。

　　

陈明生|曾照坤|唐一昌|杨阳|马玲|卢观菊

摘要

为了准确预测复杂环境中海上风电-水产养殖集成平台的动态响应，本文提出了一种用于风电-水产养殖集成平台的数值分析方法，该方法结合了空气动力学、流体动力学和网状结构以及系泊系统的动态特性。该方法利用ANSYS AQWA中的“user_force”接口，集成了一个基于Screen模型的自定义Python程序，用于计算网状结构上的非线性流体动力载荷。以10兆瓦的驳船型风电-水产养殖耦合系统（BWACS）作为案例研究，评估所提出框架的有效性。在纯水流和风浪-水流联合条件下进行了数值模拟，并将结果与实验数据进行了系统比较。结果表明，与传统的Morison模型相比，所提出的耦合模型在预测平台运动和系泊张力方面具有更高的准确性，其性能显著优于传统模型。此外，Screen模型能够很好地捕捉网状结构线之间的流动干扰效应，这突显了其在非线性网状载荷预测方面的优势。总体而言，本文提出的方法为深海风电-水产养殖集成平台的耦合动态分析和工程设计提供了一个可靠且高效的数值工具。

引言

在能源转型加速的背景下，由于浮式海上风电具有在深水区域部署的潜力，因此已成为全球战略重点（Chen等人，2022年；Tang等人，2026年）。然而，其大规模商业化仍面临技术和经济挑战（Chen等人，2026年；Hu等人，2024年）。为了降低成本和提高效率，增加风力涡轮机的容量有助于降低平准化电力成本（LCOE）（Chen等人，2025年），但也带来了诸如基础结构空间利用率不足和平台稳定性控制难度增加等问题。为此，出现了“风电-水产养殖”集成模式，将浮式海上风电涡轮机（FOWTs）与水产养殖笼结合，实现了海上发电和水下养殖的三维发展（Abhinav等人，2020年；Cao等人，2022年；Ecorys and Développement，2012年；Miranda等人，2025年；Yi等人，2024年）。这种集成方式可以共享基础设施并降低总体成本（Wang等人，2024年）。

风电-水产养殖集成平台的分析涉及在空气动力学和流体动力学载荷耦合作用下的多体、多场非线性动力学（Tu等人，2025年）。这可以利用用于浮式海上风电涡轮机（FOWTs）的耦合分析方法（Jiang等人，2024年），并额外考虑网状结构的载荷，从而实现涵盖空气动力学、流体动力学、网状结构和系泊系统的综合动态数值模拟。美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的FAST代码（Jonkman，2005年）能够进行高保真度的非线性综合动态时域模拟，整合了空气动力学、流体动力学、伺服系统和弹性分析，在业界得到了广泛认可。挪威科技大学的Bachynski领导的研究团队基于Riflex和AeroDyn平台开发了综合动态分析软件SRA（Simo-Riflex-AeroDyn）（Bachynski，2014年）。此外，Yang等人（2020a，2020b）通过动态链接库（DLL）方法将OpenFAST与AQWA集成，构建了一种结合了两种工具优势的F2A模拟方法。

水产养殖网状结构的流体动力学建模主要采用Morison模型和Screen模型。Morison模型通过将力叠加在单个网状结构线上来计算流体动力载荷，建模较为简单；然而，它无法考虑小攻角下网状结构线之间的流体干扰效应，这可能导致阻力估计过高（Kristiansen和Faltinsen，2012年）。相比之下，Screen模型能更准确地表示网状结构线及结点之间的相互作用，适用于柔性网状结构的动态分析（Kristiansen和Faltinsen，2012年）。然而，其计算复杂性和实现挑战限制了其在大多数商业软件中的集成。鉴于这两种模型的各自优势和局限性，Cheng等人（2020年）在纯水流条件下系统比较了十一种Morison模型和Screen模型。通过数值模拟和实验验证，他们的研究为不同运行条件下的模型选择提供了依据。同时，许多研究人员使用商业软件中的内置流体动力学模型进行了相关数值研究。例如，Huang等人（2026年）在AQWA中采用Morison模型建立了数值网模型，并对一种新型模块化风电-水产养殖集成平台进行了综合动态分析。同样，Zhai等人（2024年）在SESAM中使用Screen型流体动力学模型研究了10兆瓦驳船型海上风电涡轮机与水产养殖笼在不同环境条件下的运动响应。

尽管相关研究取得了重要成果（Lian等人，2025年；L?land，1993年；Men等人，2025年；Slagstad等人，2024年；Xie等人，2023年；Yu等人，2023年），但作为复杂刚柔耦合系统的风电-水产养殖集成平台的综合动态响应分析仍然是一个重大挑战。目前，能够在成熟商业软件环境（如ANSYS AQWA（Ansys，2020年）中同时利用Screen模型的高精度并进行高保真度联合仿真的方法框架仍然非常有限。

为了解决这一挑战，本研究提出了一个专为集成FOWTs和水产养殖平台设计的综合动态分析框架。通过使用ANSYS AQWA中的“user_force”接口调用基于Screen模型的自定义网状载荷计算程序，实现了高精度的实时流体动力载荷和平台运动响应预测，并系统地研究了在不同环境载荷条件下网状结构运动对平台动态和系泊系统张力的影响。这一方法论的进步为网状结构流体动力载荷建模技术的进一步发展以及集成FOWTs和水产养殖系统的全面安全评估提供了重要价值。

第2节系统阐述了本研究中采用的理论框架和数值方法。第3节基于第2节选定的流体动力学模型和Zhai等人（2025年）报告的10兆瓦BWACS实验模型验证了数值模型。第4节进一步将所提出的方法应用于BWACS的数值模拟，并通过F2A工具进行耦合计算，结合了风载荷效应的验证。

节选内容

网状载荷

水产养殖网状结构通常采用两种主要的流体动力学模型：Morison模型和Screen模型。Morison模型通过线性叠加作用在单个网状结构线上的流体载荷来确定总流体动力载荷。相比之下，Screen模型将网状结构视为连续的多孔屏障，并根据其有效横截面特性来确定综合流体动力载荷（Cheng等人，2020年）。

流体动力学模型验证

为了验证第2节选定的网状结构模型的准确性和自定义网状载荷计算程序的有效性，本节使用在水产养殖工程中广泛使用的两个代表性网状面板进行测试，分析了该流体动力学模型和计算代码在关键运行条件下的适用性和预测准确性。

完全耦合时域验证

基于第2.4节建立的浮式平台和柔性网状结构的耦合数值计算方法，本节将数值模拟结果与实验数据进行系统比较，评估了该计算方法的准确性和有效性。

结论

针对新兴的深海风电-水产养殖集成平台，本研究建立并验证了一种基于Screen模型的综合动态数值分析方法，以严格考虑柔性网状结构的影响。所提出的方法综合了浮式平台流体动力学、风力涡轮机空气动力学载荷、作用在可变形网状结构上的非线性流体诱导力以及系泊系统动力学，实现了高保真度的分析。

CRediT作者贡献声明

陈明生：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、概念构思。曾照坤：撰写 – 原稿撰写、验证、软件开发、方法论、研究、数据整理、概念构思。唐一昌：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、软件开发、方法论、研究、数据整理、概念构思。杨阳：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督

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

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号：52171275）的财政支持。