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作者及机构
本研究的主要作者为Yang Zhou、Qing Xiao、Christophe Peyrard和Guang Pan，分别来自英国斯特拉斯克莱德大学（University of Strathclyde）的船舶、海洋与海洋工程系、法国巴黎高等电力学院（Électricité de France, ENPC, Cerema）的Saint-Venant水力实验室，以及中国西北工业大学（Northwestern Polytechnical University）的海洋科学与技术学院。该研究于2021年10月20日发表在期刊《Ocean Engineering》上，文章编号为109987。
学术背景
本研究的主要科学领域是海洋工程，特别是海上浮式风力发电机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）的水动力学和空气动力学研究。随着欧洲海上风电装机容量的快速增长，设计和建造技术需求日益增加。传统的浮式风力发电机设计通常采用均匀风和规则/不规则波浪条件来评估水动力和空气动力载荷，但这些方法在极端条件下无法满足设计要求。因此，本研究旨在通过高保真的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法，研究不同类型波浪（聚焦波、不规则波和重建聚焦波）对FOWT性能的影响，特别是动态运动响应、系泊线张力、风力发电机推力、功率输出和塔基弯矩等关键参数。
研究流程
研究流程主要包括以下几个步骤：
1. 模型建立与数值方法
研究采用基于OpenFOAM开源CFD框架的高保真CFD工具，模拟了NREL 5 MW半潜式浮式风力发电机的动态响应。模型包括三个大型立柱和一个中央立柱，通过系泊线固定。研究使用有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程，并结合体积分数法（Volume of Fluid, VOF）处理自由表面。
2. 波浪生成与验证
通过“waves2foam”工具箱在数值波浪水池（Numerical Wave Tank, NWT）中生成聚焦波和不规则波。聚焦波通过线性叠加一系列规则波生成，而不规则波则基于JONSWAP谱生成。研究还进行了网格和时间步长的收敛性测试，确保数值模拟的准确性。
3. 动态响应分析
研究分析了FOWT在不同波浪条件下的动态运动响应，包括纵荡（surge）、垂荡（heave）和俯仰（pitch）运动。通过小波变换（wavelet transform）和功率谱密度分析（Power Spectral Density, PSD），研究了波浪类型和波陡对FOWT水动力学性能的影响。
4. 系泊线张力与塔基弯矩分析
研究还分析了系泊线张力和塔基弯矩的动态响应，揭示了波浪类型和波陡对系泊系统和塔基结构的影响。
5. 空气动力学分析
通过模拟风力发电机的推力和功率输出，研究了波浪类型和波陡对风力发电机空气动力学性能的影响。
主要结果
1. 波浪类型对FOWT动态响应的影响
研究发现，在相同波浪谱下，聚焦波和不规则波对FOWT动态运动响应的预测存在显著差异。然而，重建聚焦波与不规则波的水动力学特性非常相似，表明重建聚焦波可以作为极端波浪研究的替代方法。
2. 波陡对FOWT动态响应的影响
研究揭示了波陡增加会导致非线性效应的增强，特别是在波浪衍射和立柱附近的波浪爬升现象中。
3. 波浪类型对风力发电机空气动力学的影响
研究发现，波浪类型和波陡对风力发电机的推力和功率输出影响较小，表明FOWT的空气动力学性能主要受平台运动的影响，尤其是俯仰运动。
4. 系泊线与塔基弯矩分析
系泊线张力和塔基弯矩的动态响应与FOWT的纵荡和俯仰运动密切相关，揭示了波浪类型和波陡对系泊系统和塔基结构的影响。
结论
本研究通过高保真CFD方法，系统地研究了不同波浪类型和波陡对半潜式浮式风力发电机水动力学和空气动力学性能的影响。研究发现，聚焦波可以较好地模拟极端波浪条件下的FOWT动态响应，重建聚焦波则可以作为不规则波的替代方法，显著降低计算成本。此外，波陡的增加会导致非线性效应的增强，特别是在波浪衍射和立柱附近的波浪爬升现象中。研究还表明，波浪类型和波陡对风力发电机的空气动力学性能影响较小，FOWT的空气动力学性能主要受平台运动的影响。
研究亮点
1. 新颖的研究方法
本研究首次通过高保真CFD方法，系统地比较了聚焦波和不规则波对FOWT性能的影响，特别是动态运动响应和空气动力学性能。
2. 重建聚焦波的应用
研究提出重建聚焦波可以作为不规则波的替代方法，显著降低了计算成本，同时保持了较高的预测精度。
3. 非线性效应的捕捉
研究成功捕捉了波陡增加导致的非线性效应，特别是在波浪衍射和立柱附近的波浪爬升现象中。
其他有价值的内容
本研究还提供了详细的数值模拟设置和验证过程，为后续研究提供了可靠的参考。此外，研究还探讨了波浪类型和波陡对系泊系统和塔基结构的影响，为FOWT的设计和优化提供了重要依据。
这篇报告详细介绍了研究的背景、流程、结果和结论，并突出了研究的创新点和应用价值。