本文档介绍了一种用于浮式海上风机集成测试的风洞/硬件在环设置。浮式海上风力发电机（Floating Offshore Wind Turbines, FOWTs）被视为开发深远海风能的关键技术。然而，其设计高度依赖能够模拟风浪联合载荷下响应的数值代码。为确保这些仿真模型的有效性，需要实验数据进行校准和验证。虽然全尺寸原型测试数据价值高，但成本高昂且不确定性大。因此，在受控环境下进行缩尺模型实验成为重要的研究手段。
然而，对FOWT进行缩尺模型实验非常复杂，因为必须同时再现风载荷、波浪载荷、重力与浮力、系泊系统以及柔性动力学。传统的海洋水池测试通常基于弗劳德数（Froude）相似准则进行整体模型试验，但这会导致模型的雷诺数（Reynolds）远低于全尺寸系统，从而难以正确再现风力机的气动载荷，这被称为“弗劳德-雷诺数冲突”。为了解决这一难题，混合测试或硬件在环测试（Hybrid/Hardware-in-the-Loop, HIL）方法被提出。
本文由I. Bayati, A. Facchinetti, A. Fontanella, H. Giberti 和 M. Belloli 完成，作者来自意大利米兰理工大学机械工程系和帕维亚大学工业与信息工程系。论文发表于2018年的 Journal of Physics: Conference Series 第1037卷，文章编号052025，是在“风扭矩科学”会议上发表的会议论文。
本文旨在详细介绍在米兰理工大学风洞内对FOWT进行混合/HIL测试所涉及的技术问题和方法学。研究目标是展示该方法如何解决传统测试中的尺度冲突，并阐述其实验设置、工作原理、验证结果以及相对于传统方法的优势。以下将详细阐述该项研究的具体内容。
实验设置与HIL方法学
本研究在米兰理工大学的边界层风洞（GVPM）中进行。其核心的HIL方法将整个浮式风力机系统拆分为两个互补的子系统：一个物理子系统和一个数值子系统。
这个闭环系统使得研究人员能够在高质量的风洞流场条件下，直接研究浮式平台运动、非定常空气动力学和风机控制器动作之间的相互作用。通过将复杂的流体动力学和结构动力学的模拟任务交给数值子系统，实验可以专注于气动效应的研究，而无需为每个待测试的FOWT概念设计和建造复杂的浮式平台物理模型，避免了由此引入的未知测量不确定性。
尺度问题与HIL的优势
论文深入分析了FOWT缩比试验中的核心矛盾——弗劳德相似准则与雷诺相似准则的不兼容性。在传统的整体模型海洋水池试验中，为了正确模拟重力相关的载荷（如浮力、系泊回复力），必须遵循弗劳德相似，这导致速度缩比因子为长度缩比因子的平方根。对于将兆瓦级风机缩小到适合试验设施的大小（长度缩比因子通常在50到100之间），模型所处的雷诺数会比全尺寸情况低350到1000倍，严重影响了气动载荷的准确性。
HIL方法通过“子结构”概念巧妙地规避了这一冲突。在本文描述的设置中，物理模型（风力机转子）的气动设计不再受弗劳德准则约束。研究者可以独立地选择长度缩比因子和速度缩比因子，以优化实验条件。在本研究中，长度缩比因子（λL）定为75，以平衡风洞阻塞效应和模型小型化难度；速度缩比因子（λV）定为3，以限制雷诺数的降低程度，并满足模型驱动器和气动弹性部件自然频率的设计要求。由此得到的其他尺度因子（如时间、频率、加速度、力）如表1所示。如图1所示，这种选择（图中黄点）所带来的雷诺数折减，远小于在相同模型尺寸下采用弗劳德相似（图中红线）所带来的折减，从而显著改善了气动载荷的模拟精度。
方法验证与误差分析
为了评估HIL方法的保真度，研究者将实验结果与成熟的航空-伺服-流体-弹性仿真代码FAST的数值模拟结果进行了比较。一个关键的验证案例是在操作海况（有效波高Hs=7.10米，峰值周期Tp=12.10秒）且无风条件下的平台运动响应。图3展示了纵荡和纵摇自由度响应的功率谱密度对比。结果显示，在感兴趣的频率范围内，尤其是在线性波浪激励频段，FAST仿真与HIL实验测得的平台响应吻合良好。在低频范围（平台刚体运动模态的固有频率附近）以及仅对于纵摇自由度在0.15 Hz以上的频率，存在一些微小差异。这些差异主要归因于当时用于替代6自由度机器人的液压驱动系统的响应。
气动载荷的提取与修正
在HIL测试中，准确地将测量到的总力分解为纯气动载荷至关重要。力传感器测量到的力是气动力、模型惯性力和重力贡献的叠加。在假设风力机模型为刚体的前提下，通过实时模型计算出的平台运动状态（设定点），结合通过实验标定得到的风力机模型结构属性（质量矩阵和重力刚度矩阵），可以估算出非气动部分的“修正力”。从测量总力中减去这个修正力，就得到了用于反馈给数值模型的气动载荷。
图4展示了在操作海浪且无风条件下，纵荡力和纵摇力矩的测量值、修正力估计值以及残余力的功率谱密度。在低频段，修正力与测量力非常接近，残余力几乎为零，这对于研究气动载荷对全局响应的效应至关重要。在高频段，特别是纵摇自由度，存在一些差异，残余力在此处不可忽略。这些误差主要来源于对风力机模型结构属性估计的不准确、驱动延迟导致的设定点与实际运动之间的差异，以及未考虑模型组件柔性所引入的偏差。对于半潜式平台，对平台位移设定点进行低通滤波被证明是减少这些高频误差的有效解决方案。
数值模型的关键技术
由于HIL测试对实时性的苛刻要求，数值子系统不能直接使用标准的FOWT设计软件，而需要开发专用的实时模型。论文详细介绍了其中几个技术挑战的解决方案： * 辐射力：采用状态空间模型来近似卷积积分，以高效计算由平台运动辐射波浪引起的记忆效应。 * 衍射力：一阶和二阶衍射力在每一步积分时根据波浪谱和由面元法预计算得到的频率相关传递函数实时计算，而不是依赖于预计算的多维查表，这提高了灵活性并满足了实时性。 * 系泊动力：采用基于优化节点数的集总质量模型来模拟系泊系统的非线性动力响应，在保证足够精度的同时降低了计算负担。
结论与亮点
本文描述的创新测试技术为在边界层风洞内研究浮式风力机的集成动力学提供了一种有效的解决方案。HIL方法成功解决了长期困扰传统海洋水池试验的弗劳德-雷诺数冲突。通过仅使用物理模型来再现风力机转子产生的气动载荷，并将平台动力学和流体动力场交由数值模拟，实验可以专注于研究气动-水动-控制耦合现象，同时避免了设计和制作平台缩尺模型所带来的测量不确定性。
本研究的亮点在于： 1. 方法创新性：提出并实现了一套完整的、基于6自由度机器人的风洞HIL测试系统，用于浮式海上风机研究，这是对传统试验方法的重大革新。 2. 解决核心难题：明确阐述了Froude-Reynolds尺度冲突问题，并展示了HIL方法如何通过解耦物理与数值子系统，灵活选择尺度因子，从而有效缓解该冲突。 3. 系统集成与验证：详细介绍了从气动缩尺模型设计、实时流体动力学建模、到硬件在环集成和数据处理的完整工作流程，并通过与权威仿真软件FAST的结果对比，初步验证了该方法的可靠性和精度。 4. 技术细节深入：对实验中的关键环节，如气动载荷的实时提取与修正、数值模型的实时化处理、误差来源分析等，都进行了深入探讨，为后续研究者提供了宝贵的技术参考。 5. 应用灵活性：该平台允许研究者使用同一个气动模型（风力机缩尺模型）来测试不同的FOWT概念（通过更换数值模型中的平台和水动力参数），大大提高了实验效率和灵活性。
这项研究不仅展示了一种先进的实验技术，也为其在浮式海上风电这一前沿领域的应用奠定了方法学基础，对于深入理解FOWT复杂耦合动力学、验证仿真模型、优化控制器设计具有重要的科学价值和工程应用前景。