OC6 第一阶段IB研究：用于差频水动力载荷验证的漂浮式风电组件实验

一、 研究概述

本研究于2021年10月发表于期刊《Energies》。主要作者为美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）的Amy Robertson和Lu Wang。这项研究工作属于国际能源署风能任务30（IEA Wind Task 30）框架下的OC6（Offshore Code Comparison Collaboration, Continued, with Correlation and Uncertainty）项目的一部分，旨在深入探究漂浮式海上风力发电机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）的关键物理现象，并提升工程模型的预测精度。

二、 学术背景

研究聚焦于漂浮式海上风电领域，特别是半潜式（Semisubmersible）浮式基础的复杂水动力学问题。在OC6项目的早期阶段（OC5第二阶段及OC6第一阶段A），研究人员通过缩比模型实验发现，基于势流理论（Potential-Flow Theory）和莫里森方程（Morison Equation）的现有工程建模工具存在一个持续性问题：它们显著低估了半潜式浮式基础在其纵荡（Surge）和纵摇（Pitch）固有频率附近的低频（low-frequency）载荷和运动响应。这些低频区域通常位于线性波激励频率范围之外，主要由波与结构、波与波之间的非线性相互作用产生，特别是二阶差频（Difference-Frequency）波浪载荷。在恶劣海况下，这种差频载荷甚至可能超过风力载荷对低频响应的贡献，因此其准确预测对于结构的极端载荷（Extreme Load）和疲劳载荷（Fatigue Load）评估至关重要。

为了深入探索这一非线性水动力载荷（Nonlinear Hydrodynamic Loading）被低估的根本原因，OC6项目启动了更精细的验证活动。此前的研究验证了全系统（完整的OC5-DeepCwind半潜式平台）的总体响应，但难以定位载荷预测误差的具体来源。为此，本研究（OC6第一阶段IB）采取了独特的“组件级”（Component-Level）实验策略，旨在：（1）分离并测试半潜式平台的单个部件（立柱、垂荡板），以探究部件间距和相互作用对水动力载荷的影响；（2）获取详细的、分布式的载荷信息；（3）进行双色波（Bichromatic Waves）实验，以提供更直接的差频载荷评估，并降低高保真度计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）工具的验证成本。

三、 详细工作流程

本研究是一项系统的实验验证活动，其核心在于实验设计、模型配置、波浪条件和数据采集。工作流程可分解为以下四个主要部分：

第一部分：实验设施与模型设计。 实验在美国缅因大学的W2 Harold Alfond海洋工程实验室的波浪水池中完成。水池尺寸为30米长、9米宽，水深可调，本次实验设为5米。采用16块摇板式造波机生成波浪。实验模型基于被广泛研究的DeepCwind半潜式浮式基础几何外形，并进行了针对性简化。研究采用了1:50的缩尺比，且为保持一致性，论文中展示的数据均已通过弗劳德数（Froude Number）相似律换算至全尺度。

模型简化的核心在于去除了原设计中的中心主立柱和连接杆，仅保留三个外围的大直径立柱及其底部的垂荡板（Heave Plate）。这样做的目的是为了分离这些主要部件的贡献。实验使用了一个刚性的三角形顶框，将三个上立柱独立地但固定地安装于其上。更关键的是，实验配置了多种模型构型，以构建一套完整的“从简单到复杂”的验证体系（见表1及图6）：(a) 仅单个上立柱（位于上游立柱位置），无垂荡板（构型C）；(b) 单个上立柱配厚垂荡板（HP1，高6米）或薄垂荡板（HP2，高2.5米）（构型D， E）；© 三个上立柱分别配装HP1或HP2，构成三角形布局（构型P/N， J/K）。其中，构型P和N几何完全相同，区别仅在于配置了压力传感器的立柱/垂荡板组件分别位于上游立柱（UC）和右舷立柱（SC）位置，目的是在两侧立柱上均获取压力数据。此外，为了模拟漂浮式风机在实际运行中受风载荷产生的平均纵摇倾角，部分构型（如构型F， G， Q， R）还将整个模型围绕特定的俯仰轴线旋转了5度进行测试。这种考虑运行姿态的构型是漂浮式风电所特有的。

第二部分：波浪条件设计。 实验考虑了10种波浪条件（见表2），旨在全面评估载荷特性。主要包括三类：1）不规则波（J1， J2）：采用JONSWAP谱，其中J1与OC5等前期项目使用的谱相同，具有较高的有效波高（Hs=7.0米），J2波高较低（Hs=5.0米），用于研究波高对差频载荷的影响。2）双色波（B1-B5）：这是本研究的关键创新之一。通过叠加两个特定频率和波高的规则波，可以产生一个明确的差频（即两个频率的差值）载荷。这种设计有两个主要优势：一是测得的差频载荷可以直接与二阶势流理论的二次传递函数（Quadratic Transfer Functions， QTFs）进行比较，从而定位势流理论的局限性；二是双色波可以设计成具有较短的重复周期，使得计算成本高昂的CFD模拟只需计算几百秒（全尺度）即可捕捉到差频载荷，大大降低了验证门槛。B1-B3的差频接近平台的纵摇固有频率（约0.032 Hz），B4-B5的差频接近纵荡固有频率（约0.01 Hz）。3）规则波（R1-R3）：作为基础参考，用于分离和分析单一频率成分的载荷。

第三部分：测量系统。 为实现精细化验证目标，实验配备了多层次的测量仪器。 1. 波浪测量：在波浪校准和模型测试期间，水池中布置了多个浪高仪（电容式和电阻式），以精确测量入射波、反射波和透射波，为后续的误差和不确定性分析提供依据（图8，表3）。 2. 载荷测量：这是本实验的核心。与以往仅测量平台总载荷不同，本研究首次为上游立柱（UC）和右舷立柱（SC）分别安装了独立的六自由度力传感器（测量纵荡力、垂荡力和纵摇力矩）（图10）。这种设计使得研究人员能够量化每个立柱的独立贡献，并直接观察由于其他立柱存在而产生的干扰效应。所有载荷数据被统一转换到基于地球的固定坐标系中（图11），方便直接叠加和比较。数据处理中，针对单立柱构型中存在的高频结构振动，研究通过低通滤波进行了处理，确保不影响关注的波浪频率和差频载荷。 3. 压力测量：为探究载荷分布，特别是非线性载荷集中的区域，在一套立柱/垂荡板组件上设置了多个测压孔（图16a）。测压孔主要分布在水线面（Still Water Line， SWL）附近的立柱表面以及垂荡板的顶面。通过在不同的实验轮次中将该带传感器的组件放置于UC或SC位置，可以获取两侧的压力信息。 4. 波浪爬高测量：在前置的上游立柱前方安装了额外的浪高仪，用于测量波浪在立柱表面的爬高（Wave Run-Up），这对于高阶非线性载荷有重要影响。

第四部分：实验矩阵与不确定性分析。 实验按照一个完整的测试矩阵进行，覆盖了所有模型构型（表1）和波浪条件（表2）。为了评估随机不确定性（Random Uncertainty），每个波浪条件至少重复三次。不确定性分析考虑了波浪输入的变异性和仪器测量误差，为后续的数值模型验证提供了重要的置信度信息。所有实验数据均已公开，可从美国能源部数据档案门户（U.S. Department of Energy Data Archive and Portal， DAP）获取。

四、 主要结果

实验结果提供了丰富的定量和定性数据，揭示了漂浮式风电半潜式平台水动力载荷的复杂特性。

1. 组件载荷变化：通过对比单立柱（构型C）、单立柱带垂荡板（构型D）以及三立柱带垂荡板（构型P中的UC）在双色波B1下的纵荡力（图13），清晰展示了组件增加带来的影响。实验表明，仅增加垂荡板就会显著改变载荷的时间历程和幅值；而当该立柱处于三立柱阵列中时，载荷特性会进一步改变，这直接证明了立柱之间的水动力干扰（Hydrodynamic Interaction）是不可忽略的。这一结果为工程模型（如莫里森方程）的局限性提供了直接证据，因为莫里森方程通常假设各构件独立受力，不考虑相互干扰。
2. 差频载荷特性：在不规则波J1和J2下，对上游立柱的纵荡力和纵摇力矩进行了功率谱密度分析（图14）。结果显示，位于0.05 Hz以下的低频（差频）区域的载荷幅值，其随有效波高增大的速率远高于位于0.055 Hz以上的波浪频率（Wave-Frequency）载荷。这明确验证了低频载荷的非线性本质。
3. 压力分布特征：尽管压力测量因管路中存在水和空气等问题而被认为是定性的（Qualitative），但仍揭示了重要的趋势。例如，在双色波B4作用下，对UC和SC水线面附近测压孔数据的分析表明，差频压力振荡的幅值在静水线附近（z=0）达到峰值（图16b， c），这明确指出了非线性差频激励的主要作用区域。这一发现对于指导CFD模拟和深入理解非线性载荷的产生机理具有重要意义。
4. 初步模型验证：研究进行了初步的莫里森方程预测与实验数据的对比（图15）。在选用合适的惯性系数（Cm=2）和拖曳系数（Cd=0.4用于立柱， Cd=1.6用于垂荡板）后，莫里森方程对波浪频率载荷的预测与实验趋势基本一致，这增强了实验数据的可信度。然而，关键的区别在于：在B4波的差频处（对应纵荡固有频率），实验数据显示右舷立柱（SC）的差频纵荡力几乎是上游立柱（UC）的三倍。这极可能是由三立柱阵列的绕射和干涉效应引起的，而这一点在莫里森方程的简化框架下无法被捕捉。这一对比突显了开发更先进模型的必要性。

五、 结论与价值

本项OC6第一阶段IB研究通过一项设计精良、测量详尽的组件级波浪水池实验，为漂浮式海上风电领域提供了宝贵的公开验证数据集。研究得出以下核心结论与价值：

1. 科学价值：研究系统地揭示并量化了半潜式漂浮式风电平台复杂非线性水动力载荷的来源，特别是部件间的干扰效应和差频载荷的产生机制。实验数据清晰地指出了当前主流的基于势流和莫里森方程的工程级模型在预测低频载荷方面存在系统性低估，并提供了详尽的证据来帮助诊断模型缺陷的具体物理根源（如干扰效应、水线面附近的强非线性）。
2. 应用与工程价值：本研究生成的高质量、公开数据集，为不同保真度的数值工具（从工程模型到高保真的CFD）提供了一个“三重验证”（Three-way Validation）平台。尤其是双色波案例的设计，极大地降低了使用CFD进行长时程不规则波模拟的计算壁垒，使得研究者可以高效地验证和改进CFD模型对非线性现象（如差频、绕射、粘性效应）的捕捉能力。这将推动更高精度仿真工具的发展，进而提升漂浮式风机设计的可靠性和经济性。
3. 方法论价值：本研究所采取的“从完整系统到分解组件”的反向研究路径，以及“构建从简单到复杂的模型构型”的实验设计理念，为解决复杂工程系统的验证问题提供了一个范例。这种组件级分解的方法，能够有效隔离物理现象，使验证和误差溯源的过程更加清晰。

六、 研究亮点

1. 开创性的组件级实验：首次针对漂浮式风电半潜式平台，系统地分离并测试其核心部件（立柱、垂荡板），量化了部件间距和相互作用对水动力的影响，为模型改进提供了前所未有的详细数据。
2. 面向CFD验证的波况设计：创造性引入并优化了双色波系列案例，成功解决了CFD验证中计算成本与低频载荷捕捉之间的矛盾，为高保真度数值方法的广泛应用铺平了道路。
3. 精细化的测量方案：通过独立的立柱载荷传感器和压力分布测量，实现了从“整体载荷”到“分布式载荷”验证的跨越，使得误差来源的定位成为可能。
4. 对实际运行条件的考量：引入了5度纵摇姿态的测试构型，反映了漂浮式风机在服役状态下的真实受载环境，使验证数据更具工程实用性。
5. 数据公开与可重复性：整个数据集完全公开，并附有详细的模型、波况、测量和不确定性描述，确保了研究的透明度和可重复性，对推动整个领域的研究协作具有重要意义。