本文报告了一项关于漂浮式风力发电机组在波浪水池中进行缩比实验的原创性研究，旨在评估一种名为“软件在环”（Software In the Loop, SIL）的混合测试方法，并探究非线性水动力和风荷载对系统低频动力学的影响。以下是详细的学术报告。

本研究由来自西班牙国家可再生能源中心（Centro Nacional de Energías Renovables, CENER）风能部门的 José Azcona、Faisal Bouchotrouch 和 Felipe Vittori 共同完成。研究论文《Low-frequency dynamics of a floating wind turbine in wave tank–scaled experiments with SIL hybrid method》于2019年在线发表于期刊 *Wind Energy*。

学术背景 该研究属于海洋可再生能源与海上风能工程领域。漂浮式风力机是开发深远海风能资源的关键技术，其设计依赖于能够准确预测系统在风浪联合作用下动态响应的数值模型。这些模型的验证通常需要在波浪水池中进行物理缩比模型试验。然而，在缩比实验中存在一个根本性矛盾：水动力（与重力相关）和空气动力（与粘性相关）的缩尺律无法同时满足。传统的弗劳德（Froude）数缩比法保证了水动力的相似性，却导致雷诺（Reynolds）数失真，使得转子气动载荷无法正确模拟。为解决这一缩放冲突，研究人员提出了实时混合测试方法。本研究的目标是应用并验证其开发的SIL混合测试方法，通过该方法在缩比实验中精确引入气动推力，并将实验结果与采用线性和非线性水动力模型的数值计算结果进行对比，从而评估非线性水动力与风荷载在漂浮式风机低频动力学中的相对重要性。

详细工作流程 该研究包含三大主要步骤：1）基于SIL方法的缩比模型试验准备与实施；2）建立用于对比的数值模型；3）进行多工况对比分析。

第一步：SIL实验系统的构建与缩比模型测试 研究对象是基于OC4 DeepCwind半潜式平台和NREL 5-MW参考风力机的漂浮式风力机，缩尺比为1:45。物理缩比模型在法国南特中央理工学院的波浪水池中建造和测试。为了解决气动与水动力缩放冲突，研究团队采用了自创的SIL混合测试方法。其核心是用一个涵道风扇（ducted fan）替代模型上的转子，并由该风扇实时施加一个代表气动推力的力。这个力的大小并非预先设定，而是由一个与水池实验实时耦合的数值模拟程序计算得出。具体工作流如下： 1. 数据交换与实时耦合：实验过程中，光学运动捕捉系统（Qualisys）实时测量平台在六自由度上的位移。这些测量数据通过TCP/IP网络协议发送给运行在另一台计算机上的数值模拟程序（基于FAST-AeroDyn代码修改）。该程序接收到平台运动数据后，将其作为边界条件，结合预设的风况（恒定风或湍流风）和控制策略，计算出一时间步长后的全尺寸转子气动推力。 2. 力的施加：计算出的全尺寸气动推力根据缩尺律转换为模型尺度力。随后，控制软件（LabVIEW）根据事先标定的曲线，生成相应的脉宽调制（PWM）信号，发送给涵道风扇的电子调速器（ESC），从而调节风扇转速，精确地在模型机舱位置施加目标推力。这一过程在每一个时间步长内实时循环。 3. 模型与参数：模型的主要属性（如质量、重心、惯性矩）通过摆锤和惯性试验进行了测量和确认。系泊系统根据水池尺寸进行了适应性调整，并使用动力锚链模型模拟。为了匹配全尺寸转子和机舱的质量，在塔顶增加了压载。风扇控制系统经过阶跃响应测试，确认其动态响应满足要求。用于实时推力计算的数值模型基于叶片单元动量（Blade Element Momentum, BEM）理论，包含了Glauert修正以及叶尖和轮毂损失的Prandtl修正，并集成了风力机的变转速变桨距控制策略。

第二步：建立对比数值模型 为了与实验结果对比，研究团队在FAST v8中建立了全尺寸漂浮式风力机数值模型。关键点在于创建了两个版本的模型以评估非线性水动力的影响： 1. 线性水动力模型：基于势流理论，仅考虑一阶波浪力。 2. 非线性水动力模型：在线性模型基础上，引入了通过Wamit软件计算的二阶波浪激励力的全二次传递函数（Quadratic Transfer Functions, QTFs），以计入差频和和频等非线性水动力效应。该模型计算成本约为线性模型的三倍。 此外，模型还包括基于Morison公式的细长构件粘性阻尼、通过自由衰减试验标定的附加线性/二次阻尼、以及使用MoorDyn代码模拟的系泊系统动力学。为了确保一致性，数值模型中使用的气动模型（AeroDyn）、控制策略和风文件与SIL实验中的计算设置完全相同，波浪条件则直接使用水池实验中测量的波面时间序列。

第三步：多工况实验与模拟对比 研究设计了由简到繁的多组工况，将SIL实验测量结果与上述两种数值模拟结果进行对比分析： 1. 恒定风速下的俯仰衰减试验：在无风以及8.5 m/s（额定风速以下）、11.4 m/s（额定风速）、18 m/s（额定风速以上）三种恒定风速下进行平台俯仰自由衰减测试。对比测量与模拟的衰减曲线，提取固有周期和阻尼比。 2. 恒定风与不规则波联合工况：设置了两组工况（工况1：Hs=4.13m， Tp=7.3s， V=11.4 m/s；工况2：Hs=4.88m， Tp=8.9s， V=18 m/s）。恒定风不会在低频区产生激励，因此该工况主要用于考察非线性水动力的影响。对比了纵荡（surge）和俯仰（pitch）运动响应的功率谱密度（PSD）。 3. 湍流风与不规则波联合工况：使用与上组相同的波浪条件，但将恒定风替换为具有相同平均速度的湍流风（基于Kaimal谱生成）。湍流风会在低频区引入激励。同样对比了纵荡和俯仰运动的PSD，并在时域内对比了俯仰运动时间序列。此外，还分析了转子推力谱与非线性水动力谱的量级关系。

主要结果 结果一：俯仰衰减试验。实验和模拟结果在固有周期上高度一致（最大差异约1.1%）。与无风情况相比，引入恒定风后，由于转子气动阻尼效应，所有风速下的俯仰运动阻尼比均显著增加。其中，产生最大推力的额定风速（11.4 m/s）工况阻尼比最高（0.15）。数值模拟预测的阻尼比与实验结果吻合良好，在8.5 m/s和11.4 m/s风速下差异极小（分别2.5%和0.3%），在18 m/s风速下差异稍大（约9%）。这直接验证了SIL方法能够有效、准确地引入耦合的气动阻尼，这是漂浮式风机全局动力学的关键效应。

结果二：恒定风与不规则波工况。在线性波浪激励主导的波浪谱峰频率附近（约0.137 Hz和0.112 Hz），无论采用线性还是非线性水动力模型，数值模拟与实验测量在纵荡和俯仰运动上都吻合良好。然而，在低频区域（接近纵荡固有频率0.008 Hz和俯仰固有频率0.037 Hz），非线性差频波浪力对平台动力学产生重要影响。使用线性水动力模型的模拟显著低估了实验测得的低频响应。当在模拟中加入全QTF非线性水动力效应后，数值结果更接近实验数据，但仍存在一定程度的低估。这一结果清晰地表明，在缺乏低频风荷载激励的情况下，非线性水动力对漂浮式平台的纵荡和俯仰低频动力学有不可忽视的影响，线性模型不足以准确预测。

结果三：湍流风与不规则波工况。此工况下，风荷载在低频区引入了激励。 * 额定风速（11.4 m/s）湍流风：此时转子推力最大。对比显示，在包括低频区在内的整个频率范围内，实验与模拟的纵荡和俯仰运动PSD都吻合得很好。线性与非线性水动力模型给出的结果也非常接近。这表明，在转子推力占主导地位的情况下，其产生的低频激励掩盖了非线性水动力带来的差异。时域对比也证实，SIL实验测得的平台俯仰运动能够被数值模型准确地复现。 * 高风速（18 m/s）湍流风：此时风力机处于变桨控制区，转子推力相对降低。对比发现，在纵荡运动的低频区，线性水动力模型给出的响应低于非线性模型，而非线性模型的结果与实验数据更为匹配。然而，对于俯仰运动，两种模型与实验的吻合度都较好，说明此时俯仰运动仍主要受转子载荷支配。通过对比两个工况下转子推力谱与非线性水动力力谱的量级发现，在额定风速下，气动推力约为非线性水动力的两倍；而在18 m/s风速下，两者量级相当。这直观地解释了为何在后一种情况下，非线性水动力对纵荡低频运动的影响变得显著。

结论 本研究成功地将SIL混合测试方法应用于5MW OC4半潜式漂浮式风力机的缩比波浪水池试验中。通过将实验数据与线性和非线性（全QTF）水动力模型的数值计算结果进行系统对比，得出以下核心结论： 1. SIL方法能够有效引入耦合的气动阻尼，这在衰减试验中得到验证，对于准确模拟漂浮式风机的全局动力学至关重要。 2. 在恒定风与不规则波工况下，非线性水动力效应对平台纵荡和俯仰的低频动力学有重要影响，线性模型会低估该频段的响应。 3. 在湍流风与不规则波联合工况下，低频动力学的主导因素取决于风速（即转子推力大小）。在接近额定风速、转子推力较高时，气动激励主导低频运动，非线性水动力的差异被掩盖，线性与非线性模型均与实验吻合良好。在产生较低转子推力的风速下（如高于额定风速的变桨工况），非线性水动力对纵荡低频运动的影响变得显著，必须在数值模型中予以考虑才能更好地捕捉平台动力学。尽管如此，即使包含非线性水动力，模型对纵荡低频响应的预测仍可能略低于实验值。

研究的意义与价值 本研究的科学价值在于：首次通过结合混合测试实验与数值模拟对比的方式，系统性地阐明了非线性水动力与风荷载在漂浮式风力机低频动力学中的相互作用与相对重要性，填补了先前研究多偏重数值分析而缺乏实验验证的空白。其应用价值在于：验证了SIL混合测试方法是一种解决水池实验中气动-水动力缩放冲突的有效且可靠的技术路径，为未来漂浮式风机概念的模型验证测试提供了重要参考。同时，研究结论为工程人员在设计分析中何时必须考虑非线性水动力效应提供了明确的指导：当风轮机处于低推力状态（如高风速变桨运行或停机状态）时，非线性水动力可能至关重要。

研究亮点 1. 创新性方法：开发并验证了基于“软件在环”（SIL）和涵道风扇的实时混合测试方法，为漂浮式风机缩比实验提供了新的解决方案。 2. 系统性对比：设计了从简单衰减到复杂风浪联合的多层次实验工况，并与精心构建的、包含线性与非线性水动力选项的数值模型进行了详尽对比，分析深入。 3. 重要发现：明确了风荷载（转子推力）与非线性和水动力在主导漂浮式风机低频动力学方面的竞争关系，给出了基于运行条件的定性判断依据。 4. 工程指导性：研究成果直接对工程实践具有指导意义，指出了在何种工况下必须采用计算成本更高的非线性水动力模型以提高设计精度。

其他有价值内容 论文指出，当前的SIL方法仅在单点施加推力，未能模拟陀螺力矩和气动扭矩，这些效应计划在未来工作中加入。同时，研究者提到由于时间限制，未对风扇系统的频率响应进行系统分析，这也是未来需要深入研究的方面。此外，实验中发现高频俯仰运动响应高于数值预测，推测可能来自涵道风扇的高频噪音，有待进一步调查。这些均为该方法的进一步改进和完善指明了方向。