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无支撑半潜式风力发电机实时混合模型测试研究：第二部分 - 实验结果

一、 研究作者与发表信息 本项研究的主要作者包括 Erin E. Bachynski, Maxime Thys（通讯作者）, Thomas Sauder, Valentin Chabaud 和 Lars Ove Sæther。研究团队主要来自挪威的 MARINTEK（现隶属于 SINTEF Ocean）以及挪威科技大学（NTNU）的 AMOS 中心和 IMT。本研究以论文形式《Real-time hybrid model testing of a braceless semi-submersible wind turbine. Part II: Experimental results》发表于2016年6月19日至24日在韩国釜山举行的ASME（美国机械工程师学会）第35届国际海洋、离岸及极地工程会议（OMAE 2016）论文集上，论文编号为 OMAE2016-54437。

二、 研究的学术背景 本研究属于海洋可再生能源与海上风能工程交叉领域，具体聚焦于浮动式风力发电机（Floating Wind Turbines， FWTs） 的动力学与测试技术。浮动式风力发电机是开发深水区（>50米）丰富风能资源的关键技术。在新型浮动式平台的设计与认证过程中，缩比模型测试是至关重要的一环，可用于验证系统行为、评估非线性现象、确认极端载荷以及验证数值仿真代码。 然而，在海洋工程水池中对FWTs进行缩比模型测试存在显著挑战。传统上，水动力测试遵循弗劳德相似准则（Froude scaling），但如果风力机也按照几何相似进行等比缩放，其雷诺数（Reynolds number） 将远低于原型机，导致气动性能严重失真且难以准确模拟。此外，在水池中生成并测量恒定或湍流风场也存在实际困难。 为了解决这些难题，研究者们探索了各种“非几何相似”的缩比方法，例如使用阻力盘代替风机转子，或修改翼型和弦长以改善低雷诺数下的性能，但这些方法均无法同时精确匹配推力、扭矩和推力曲线斜率。因此，为了更精确地模拟气动载荷，特别是当研究目标是评估系统全局性能时，“实时混合模型测试（Real-Time Hybrid Model Testing， ReaTHM™）”方法应运而生。该方法的核心思想是：物理模型在水池中承受真实的波浪和流载荷，而其受到的气动载荷（以及发电机载荷）则由实时运行的数值仿真模型根据物理模型实时测量的运动状态计算得出，并通过作动器施加到物理模型上。本研究正是这一前沿测试方法的一次重要实践。

本研究的背景知识涉及多个方面：1）浮动式风力发电机平台（特别是半潜式平台）的水动力学；2）风力机的气动弹性与控制系统；3）海洋工程缩比模型实验的相似理论（弗劳德数与雷诺数矛盾）；4）实时混合仿真技术（硬件在环）。研究团队基于NOWITECH研究中心的项目支持，旨在通过一项全面的测试活动达到两个核心目标：1) 评估一个无支撑半潜式风力发电机平台在模拟北海北部环境条件下的性能；2) 验证并证明该混合测试方法的适用性。此外，测试结果还将用于验证浮动式海上风力发电机的数值水动力和结构模型。

三、 详细研究流程 本研究是一个系统性的实验测试活动，流程主要包括实验系统搭建、模型校准、一系列特定测试的执行以及数据分析。每个步骤都极为详尽。

1. 研究对象与模型准备 研究对象是基于NREL 5MW参考风力机设计的5MW CSC（半潜式）浮动式风力发电机平台。物理模型严格按弗劳德相似准则制作，几何缩尺比为λ=30。模型包含三立柱半潜式船体、塔架以及为混合测试准备的转子-机舱组件模型。船体由铝和CNC切割的泡沫制成，通过固体压载物进行配重校准。塔架和RNA被设计得尽可能刚硬，以匹配指定质量特性。系泊系统采用3根系泊链组成的悬链线系统，模型中通过添加铅线来模拟水下重量。整个系统的质量、重心（CoG）、纵摇和艏摇惯性矩都通过称重和空气中振荡测试进行了精确校准。文档中提供了详尽的表格（表2、3、4）对比了设计值与实测值，例如总质量实测值比设计值轻约4.7%，但纵摇惯性矩高出约1.38%，体现了严格的质量控制。

2. 实时混合测试系统 测试方法的核心创新在于气动载荷的施加方式。研究团队开发并应用了一套复杂的实时混合模型测试系统（ReaTHM™）。其工作流程如下：首先，光学测量系统（OQUS）实时测量模型在波浪水池中的六自由度运动（位置、姿态、速度）。这些运动数据被实时传输给一个运行气动载荷计算软件的仿真计算机。该软件基于开源代码AeroDyn v13.00.01a-bjj，使用叶素动量理论（Blade Element/Momentum, BEM） 或广义动态尾流（Generalized Dynamic Wake， GDW） 方法，结合为OC3项目定义的“Bladed风格”控制器（已针对故障工况修改），计算出风力机转子受到的5自由度气动力和力矩（推力、侧向力、俯仰力矩、偏航力矩、滚转力矩）以及发电机扭矩。计算基于全尺寸参数，但将实测的模型运动数据按弗劳德相似准则缩放后输入。计算结果再按弗劳德相似准则缩放到模型尺度，作为指令发送给一组安装于模型上的作动器。这些作动器精确地将计算出的载荷施加到物理模型上。整个闭环过程要求极高的实时性，延迟需控制在毫秒级，以确保气动载荷与波浪载荷的准确同步。本文档是系列研究的第二部分，主要关注实验结果，而测试方法的详细描述和验证则在其姊妹篇（Part I）中完成。

3. 测试程序与实验设计 完整的测试程序设计精巧，旨在全面探究系统性能和气动-水动耦合效应。测试在水深200米（模型尺度6.66米）的MARINTEK海洋水池中进行，主要包括： * 标定试验： 首先进行了一系列基础标定试验，包括拖曳试验（Pull-out tests） 以测量系泊系统的静态回复力和刚度；以及在静水中进行的衰减试验（Decay tests） ，以确定平台在所有六个自由度上的固有周期和阻尼。特别重要的是，衰减试验不仅在无风条件下进行，还在额定风速以下（8 m/s）、额定风速（11.4 m/s）和额定风速以上（15 m/s和20 m/s）的恒定风条件下，对纵荡（Surge）和纵摇（Pitch）模态进行了测试，以观察风力机运行和控制系统对平台动力特性的影响。 * 规则波与粉红噪声波测试： 进行了三种周期（8， 11， 16秒）和三种浪向（0， 60， 90度）的规则波测试，波陡为1/60。部分规则波测试在不使用混合系统、使用混合系统但无风、以及有8 m/s和15 m/s恒定风的条件下重复进行。此外，还进行了粉红噪声波（Pink noise wave） 测试（一种在特定频率范围内能量谱密度恒定的不规则波），以在不规则但频谱可控的条件下，更宽频率范围内考察纯波浪引起的响应。这些测试用于计算响应幅值算子（Response Amplitude Operators， RAOs），并评估气动载荷对平台运动及结构载荷的影响。 * 不规则波与湍流风联合测试： 这是测试活动的核心，旨在模拟真实海洋环境。总共进行了9次包含不规则波和湍流风的测试，以及3次仅有不规则波无风的对比测试。测试矩阵涵盖了额定风速以下、额定风速附近和额定风速以上（接近切出风速）的情况，包含了风浪同向、风浪存在60度夹角、以及包含海流（1.12 m/s）的工况。还包括了两次重复测试以验证结果的重复性，以及模拟风力机故障（如变桨故障或紧急停机）的工况。每次测试的有效持续时间相当于原型尺度的3小时。湍流风场使用TurbSim软件生成，符合IEC标准的B类风机正常湍流模型（NTM）和Kaimal谱。

4. 数据采集与分析 测试期间，使用了多种高精度仪器进行同步测量：光学运动捕捉系统（OQUS）以100Hz采样率测量平台运动；加速度计和陀螺仪测量机舱处的加速度和旋转速率；应变片测量塔底和3号柱底的弯矩和剪力；力传感器测量各系泊线在导缆孔处的张力；波高仪测量波浪高程。所有波浪和力数据在模型尺度的采样率为600Hz。 数据分析采用了时域和频域相结合的方法。对于衰减试验，通过测量运动衰减的对数衰减率（Logarithmic decrement） 来计算阻尼比。对于规则波和粉红噪声波测试，通过分析输入波浪和输出响应（运动、弯矩等）来计算RAOs。对于不规则波与湍流风测试，分析包括：统计值（均值、标准差）、时间序列对比、以及将运动谱分解为低频（主要由风激励引起，接近平台固有频率）和波频（主要由波浪激励引起）部分进行分别研究。研究还对比了风浪联合工况、纯波浪工况和纯风工况下的结果，并尝试了时域直接叠加法来评估耦合效应的非线性程度。

四、 主要研究结果 实验结果内容丰富，揭示了混合测试方法的有效性和FWT系统的复杂耦合动力学行为。

1. 衰减试验结果揭示了控制器对平台动力特性的深刻影响。 * 固有周期变化： 风力机的运行显著改变了平台的纵荡和纵摇固有周期（见表10）。例如，在无风时纵荡周期为86.1秒，而在8 m/s、11.4 m/s和15 m/s风下分别延长至90.3、94.2和90.5秒。纵摇周期也从无风时的29.2秒，变化为有风时的30.5至36.5秒。这种变化源于气动推力的平均分量引起的平台静态偏移（见表11，如11.4 m/s风下平均纵荡偏移达-7.6米，平均纵摇达5.4度），改变了系统的静恢复力特性。 * 阻尼特性与极限环振荡： 阻尼分析显示，在低于额定风速（8 m/s）时，纵摇方向由于机舱处相对速度较高而存在显著的气动阻尼。在额定风速（11.4 m/s）下，纵荡衰减测试中观察到一个关键现象：系统没有像通常那样逐渐衰减至静止，而是达到了一个稳定的极限环（Limit cycle） 振荡（见图5）。其机理与风力机的变桨控制器紧密相关。控制器的自然频率（0.2 rad/s）略低于纵摇频率但高于纵荡频率，因此控制器能够对纵荡引起的相对风速变化做出响应。当平台向风运动时，转速增加导致桨距角增大，推力减小，从而“推动”平台继续运动；反之亦然。这种负反馈机制抵消了系统的正阻尼，导致持续振荡。而在高于额定风速（20 m/s）时，由于增益调度的作用，桨距角变化很小，水动力阻尼仍能主导系统使其衰减。这一发现对于控制器的设计和稳定性分析至关重要。

2. 规则波与粉红噪声波测试结果表明，对于该平台，恒定风对波频运动幅值影响甚微。 通过对比有/无混合系统、有/无恒定风条件下的RAOs（图10， 11），发现平台的运动（纵荡、垂荡、纵摇）以及塔底和柱底的弯矩RAOs，在有无气动载荷和混合系统的情况下基本一致。这表明，对于该半潜式平台，除了引起平均偏移外，恒定气动载荷对由波浪引起的动态运动幅值（RAOs）影响不大。柱底弯矩RAO在风条件下略有变化，研究人员认为这可能与风引起的平均纵摇角改变了立柱相对于波浪的几何姿态有关。这一结果验证了混合系统在模拟恒定风效应时，不会干扰或改变模型固有的水动力响应特性。

3. 不规则波与湍流风联合测试深入揭示了风-浪耦合效应。 * 重复性验证： 对两次完全相同的风浪工况（Hs=5.9米， Tp=11.3秒， U=25米/秒）的重复测试进行对比（图12），各项响应的统计结果差异小于2%，证明了混合测试方法具有极佳的可重复性。 * 运动谱分解分析： 通过将运动谱分解为低频部分（0-0.4 rad/s）和波频部分（0.5-1.5 rad/s）（图14， 15），揭示了有趣的耦合现象。对于纵荡运动，风浪联合工况下的低频响应，比纯风工况下的要小。这表明波频运动通过非线性方式影响了转子推力，从而对低频纵荡运动产生了额外的阻尼效应。对于垂荡运动，其低频（接近固有频率）响应在纯波浪工况下最大，而在风浪联合工况下有所减弱。纵摇的低频运动则显示出较弱的耦合效应。更重要的是，研究发现风的存在对波频运动几乎没有影响。 * 结构载荷与系泊张力： 塔底弯矩在低频和波频部分都显示出显著变化，但波浪对低频部分影响小，风对波频部分影响小（图16）。柱底弯矩的低频风致成分很小，但由于风导致的平台平均位置/姿态变化，使得柱底弯矩的波频幅值在风浪联合工况下比纯波浪工况更大。系泊线张力的低频分量主要由纵荡运动决定，因而受风主导。波浪的存在略微阻尼了低频纵荡，相应地，风浪联合工况下的低频系泊力比纯风工况要小。而系泊线张力的波频变化则取决于平台的平均位置，因此上风侧（1号和2号）系泊线的波频张力变化在风浪联合工况下增大，下风侧（3号）则减小。 * 线性叠加法的评估： 研究对比了风浪联合测试结果与纯风、纯波浪工况时域信号的直接叠加结果（表14）。结果显示，对于平台运动和系泊线张力，直接叠加法给出了略微保守（偏大）的估计。然而，对于柱底弯矩，直接叠加法低估了响应值（偏差达19.85%），这表明对于某些结构载荷，风浪非线性耦合效应不可忽视。

五、 研究结论与意义 本研究成功地在MARINTEK海洋水池中对一台无支撑半潜式风力发电机进行了全面的实时混合模型测试。结果表明，ReaTHM™测试方法工作良好，具有很高的重复性，为研究浮动式风力发电机的耦合响应提供了一种强有力的实验手段。 研究得出了若干重要结论：1）风力机及其控制系统对浮动式平台的固有周期和阻尼有显著影响，在额定风速下，变桨控制器甚至可能引发纵荡方向的极限环振荡，这对控制系统设计提出了重要警示。2）对于该特定半潜式平台，恒定风载荷主要引起平台的平均偏移，但对波浪频率的运动幅值（RAOs）影响不大。3）在不规则波与湍流风联合作用下，风与波浪载荷的耦合效应主要体现在低频运动范围内。波频运动会对风致低频运动产生非线性阻尼。4）对于全局运动响应和系泊线张力，时域线性叠加法可以提供一个略微保守的工程估计，但对于某些局部结构载荷（如柱底弯矩），该方法可能低估实际耦合响应。 本研究的科学价值在于，它提供了一个高质量的、包含复杂气动-水动-伺服控制耦合的浮动式风力发电机实验数据集，可用于深入理解耦合物理机制和验证高保真度数值仿真工具。其应用价值在于，证明了实时混合模型测试是一种可行且可靠的先进实验方法，能够有效克服传统水池测试中气动载荷缩比的难题，特别是能够研究独特的故障工况，这对于浮动式风力发电机的安全设计和认证具有重要意义。

六、 研究亮点 1. 测试方法的创新性： 这是首次在如此大的模型尺度上，将实时混合模型测试技术扩展到对浮动式风力发电机施加5自由度气动/发电机载荷的研究。所采用的新型作动系统和方法是实验海洋工程领域的重要进步。 2. 对控制器耦合效应的深刻揭示： 实验清晰地捕捉并解释了风力机变桨控制器与平台纵荡运动之间的动态交互，特别是额定风速下极限环振荡的形成机理，这是纯数值仿真或简化模型测试难以充分验证的现象。 3. 全面的耦合效应量化分析： 研究通过精心设计的对比实验（无风、纯风、纯波、风浪联合），系统地分离并量化了风载荷、波浪载荷以及两者之间的耦合效应在不同频段对平台运动、结构载荷和系泊系统的影响。 4. 高质量与可重复的数据集： 研究提供了极其详细和透明的实验设置、模型参数和结果数据，构成了一个宝贵的基准案例，可供后续研究和数值模型验证使用。

七、 其他有价值内容 本研究除了上述核心内容，还提供了大量有价值的细节，例如：模型制作中质量特性的严格校准过程及误差分析；系泊系统仅模拟了水下重量而未严格模拟轴向刚度，并评估了其对关注偏移范围内回复特性的影响；测试中考虑了多种环境条件组合（包括不同浪向、含流工况）和风力机故障工况；详细说明了所使用的测量仪器及其精度。这些细节为其他研究者复现或参考本研究提供了充分的信息。研究团队在论文结尾致谢了挪威研究理事会通过NOWITECH研究中心提供的资金支持。