OC6 Phase I 研究学术报告

一、 主要作者与发表信息

本研究由来自多个国家知名研究机构与企业的庞大团队共同完成。第一作者为 A. N. Robertson，所属机构为美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）。其他主要作者与机构包括 S. Gueydon（荷兰海事研究所）、E. Bachynski（挪威科技大学）、L. Wang 与 J. Jonkman（美国国家可再生能源实验室）等，总计作者达41位。该研究于2020年发表在 Journal of Physics: Conference Series 上，论文标题为“OC6 Phase I: Investigating the Underprediction of Low-Frequency Hydrodynamic Loads and Responses of a Floating Wind Turbine”。该论文基于在风能扭矩科学国际会议（The Science of Making Torque from Wind, TORQUE 2020）上发表的成果。

二、 研究学术背景

本研究属于海上浮式风电工程领域，核心是浮式风机支撑结构的水动力载荷与运动响应的高精度预测问题。随着海上风电向深远海发展，漂浮式基础（如半潜式平台）成为关键技术。然而，其设计优化面临巨大挑战，因为浮式系统在复杂海洋环境下的动力学行为高度耦合且非线性特征显著，设计工具预测的准确性直接关系到结构的安全性与经济性。

OC6项目（海上代码比较协作，延续相关性及不确定性研究）是OC3项目的延续，旨在验证和校核用于海上风电设计的耦合建模工具。在前期OC5项目第二阶段中，研究者发现，现有主流工程设计工具在预测OC5-DeepCwind半潜式浮式风机模型在其纵荡（surge）和纵摇（pitch）自然频率下的低频响应时存在系统性低估（约20%）。进一步的调查表明，这种低估主要源于对非线性水动力载荷（特别是差频载荷）的低估。在自然频率处的响应预测不准确，会直接影响对浮式结构极限载荷和疲劳载荷的评估，从而影响设计的优化和成本控制。因此，本研究的目标是深入探究这一低估现象的根源，通过分解水动力载荷分量并进行实验验证，以改进工程模型的预测能力。

三、 研究详细流程与方法

OC6 Phase I 的研究流程是一个结合了精心设计的物理模型试验与多参与者数值模型验证的系统性工程。

1. 实验设计与实施： 为了分离并研究不同的水动力载荷分量，研究团队在荷兰MARIN水池进行了两项新的模型试验。

   • 配置一（浮动状态测试）： 研究对象为OC5-DeepCwind半潜式平台，但为了聚焦水动力问题，移除了风机，将塔筒替换为具有相似惯性属性的刚性短塔（如图1）。系泊系统也替换为能复现原悬链线系统线性特性的弹簧-钢缆系统。此配置用于进行自由衰减试验（LC 4）和不规则波中的浮式响应测试（LC 5）。测试中测量了平台的六自由度运动、各系泊点载荷以及多点波面高程。
   • 配置二（约束状态测试）： 将平台的塔筒移除，将平台主体固定在一个可移动的台车系统上（如图2）。此配置用于分离研究绕射载荷和辐射载荷。台车系统允许两种测试工况：将平台固定于波浪中，以测量波浪引起的载荷（LC 3）；强制平台在纵荡方向进行振荡运动，以测量与平台运动速度相关的辐射载荷及粘性载荷（LC 2）。此外，还进行了拖曳试验（LC 1）以校准稳态阻力。

   测试共涵盖5个荷载工况（LC），具体包括拖曳、强迫振荡、固定平台波浪载荷、自由衰减以及浮动平台波浪载荷。所有数据均缩比至实尺度进行分析。实验过程中，对测量传感器、系统激励（波浪）和系统属性（质量/惯性、系泊特性）的不确定性进行了详细的量化和传播分析，为后续数值验证提供了可靠的置信区间。

2. 数值建模与参与者分析： 来自全球各机构的参与者使用各自的工程建模工具，针对上述两种配置建立了数值模型，并对所有荷载工况进行了时域模拟。建模方法主要分为两类：

   • 势流理论（Potential Flow, PF）为基础的方法： 使用如WAMIT等边界元法（Boundary Element Method, BEM）计算频率相关的辐射/绕射矩阵。为考虑粘性效应，部分参与者在时域解中加入了莫里森（Morison）方程的拖曳力项，部分则添加了额外的线性阻尼矩阵。一些模型采用了一阶势流解，而另一些则采用了包含二阶势流解和二次传递函数（Quadratic Transfer Function, QTF） 的模型以捕捉差频波浪力。
   • 仅基于莫里森方程（Morison’s equation-only）的方法： 使用切片理论和经验公式计算水动力。

   参与者被允许使用LC 1-4的实验数据来调整（或“调参”）他们的模型，主要集中于调整拖曳力系数以匹配LC 1的稳态阻力和/或LC 2的辐射载荷，或基于LC 4的自由衰减时程调整阻尼矩阵。而LC 5（浮动平台在不规则波中的响应）则被保留用于“盲比”，即大部分参与者在建模和提交结果前未见过LC 5的数据，从而检验模型的预测能力。

3. 数据分析方法： 为量化并验证模型在波频和低频区域的预测准确性，研究团队定义了一个“PSD和（PSD sum）”指标。该指标通过对特定频率区间内的单边功率谱密度（Power-Spectral Density）进行离散求和来计算响应能量。针对不规则波（如JONSWAP谱和白噪声谱）设定了不同的低频窗口和波频窗口（如表4所示）。验证的标准是：模拟结果在低频区域（对应于平台纵荡/纵摇自然频率）的PSD和值是否落在实验测量的不确定性边界内。

四、 主要研究结果

研究结果揭示了当前工程设计工具在预测半潜式浮式风机低频响应时存在的普遍问题及部分改进方向。

1. 核心验证结果： 对于关键荷载工况LC 5.3（浮动平台在JONSWAP不规则波中），所有参与建模的工具均未能准确预测其在纵荡和纵摇自然频率处的低频响应。如图3和图5c所示，所有模拟结果对纵荡响应的预测值均低于实验测量的不确定性下限。同样，对于纵摇响应（图4和图6c），所有模型也均存在低估。这表明，现有主流工程设计工具普遍存在对浮式风机低频响应预测不足的问题，未能通过本次基于分解载荷实验的验证。

2. 约束状态载荷预测分析：

   • 强迫振荡（LC 2.1）： 多数工具低估了平台在强制纵荡振荡时所受的力（与速度同相的辐射/粘性阻尼力）。提高预测值的主要方法是采用更大的横向拖曳力系数。
   • 固定平台波浪载荷（LC 3.3）： 对于固定状态下波浪引起的低频纵荡力（图5b），低估现象更为显著。能获得较大预测值的建模方法主要分两类：一是采用增大的拖曳力系数；二是采用了包含QTF的二阶势流解。值得注意的是，仅使用莫里森方程的模型DTU1由于采用了完全非线性波浪运动学（fully nonlinear wave kinematics）来描述入射波场，其预测的低频纵荡力也较大，这显著改善了基于莫里森方程模型的准确性。

3. 矛盾与冲突的发现： 研究揭示了一个关键矛盾：在约束状态（LC 2.1, 3.3）下能更好匹配实验载荷（即预测出更大载荷）的模型调整策略（如增大拖曳系数、增加外部线性阻尼矩阵），往往并不能在浮动状态（LC 5.3）下带来更准确的运动响应预测，有时甚至适得其反。例如，TECN、EDFR、TUH3和USTU等模型在约束状态下预测的载荷并不突出，甚至较小，但在浮动状态下却预测出了相对较高的纵荡响应（图5c）。分析发现，这些模型在模拟自由衰减（LC 4）时，没有添加额外的线性阻尼（图5d）。反之，许多根据自由衰减实验数据调高了线性阻尼的模型，虽然能更好地复现自由衰减过程，却严重抑制了波浪激励下的浮动响应，导致更大的预测误差。

4. 有益建模特征的识别： 尽管所有模型都未能完全通过验证，但研究发现某些建模特征能够一致性地改善预测结果：

   • 对于势流模型： 包含QTF的二阶势流解和使用实测波浪序列（而非根据目标谱人工合成的波浪）是两个最有效的改进特征。实测波浪中包含目标谱中不存在的低频成分，这些成分提供了额外的低频激励。研究表明，移除这些低频成分会使NREL模型的低频载荷预测值显著下降。此外，波面拉伸（wave stretching）对改善纵荡预测也有一定帮助。
   • 对于纯莫里森模型： 结合完全非线性波浪运动学与大拖曳系数能显著改善纵荡力和运动的预测（如DTU1模型）。但该方法对纵摇力矩和运动的预测改善有限（图6b, c）。
   • 阻尼模型的影响： 研究发现，纵荡方向的阻尼以线性阻尼为主，而纵摇方向的阻尼则表现为显著的二次阻尼，这突出了垂荡板（heave plate）上粘性拖曳力的重要性。

5. 纵摇与纵荡响应的差异： 分析表明，改善纵荡响应的策略并不完全适用于纵摇。例如，DTU1的莫里森模型在纵荡预测上表现优异，但在纵摇力矩预测上却严重不足。同时，在纵摇响应中，缺乏额外线性阻尼不再像在纵荡中那样必然导致更大的响应预测（图6c, d, e）。改善纵摇预测最一致的特征仍然是使用二阶QTF和实测波浪。

五、 研究结论与价值

OC6 Phase I 研究通过分解水动力载荷的实验与系统性模型验证，深化了对浮式半潜式风机低频响应预测不足问题的理解。主要结论如下：

1. 问题确认与根源探索： 确认了工程设计工具普遍低估浮式半潜式平台在其纵荡和纵摇自然频率下的响应。这种低估源于对非线性水动力载荷（包括约束状态下的差频绕射载荷和运动状态下的辐射/粘性载荷）的预测不足。
2. 模型改进的有限性与矛盾： 简单地通过增大拖曳系数或添加线性阻尼来匹配约束状态试验或自由衰减数据，并不能解决浮动状态下的响应低估问题，甚至可能加剧矛盾。这表明模型中可能缺失了某些关键的流体力学机制。
3. 有效的改进方向： 对于势流模型，采用二阶势流解（QTF）和输入实测波浪场是改善低频预测的有效途径。对于莫里森模型，使用完全非线性波浪运动学是关键。这为工程软件的未来发展提供了明确的技术路线。
4. 对未来研究的启示： 研究指出，粘性效应可能会改变平台的波浪辐射特性，尤其是在小尺度下。因此，一个潜在的改进思路是使用更高保真度的工具（如计算流体动力学CFD）或水池试验数据来校准QTF本身，同时避免与莫里森拖曳力项产生重复计算。研究也暗示，拖曳系数可能是频率和/或幅值依赖的，但这在包含多频率成分的不规则海况中难以建模。

本研究的科学价值在于，通过严谨的分解实验和广泛的模型比对，不仅揭示了当前行业标准设计工具的局限性，更重要的是指明了导致预测误差的可能物理机制和具体的技术改进方向。其应用价值巨大，为下一代浮式风电工程设计软件的开发与校准提供了关键数据和理论依据，最终将有助于设计出更安全、更经济、更优化的浮式风电系统，降低海上风电的平准化度电成本。

六、 研究亮点

1. 创新的实验设计： 通过“约束状态”测试（固定于波浪中、强制振荡），成功地将复杂的水动力载荷分解为绕射、辐射和粘性分量进行独立研究，这是探究预测误差根源的关键一步。
2. 大规模的国际协作与模型比对： 汇聚了全球41个机构的研究人员，使用了多种主流工程建模工具进行并行计算与验证，使得结论具有广泛的代表性和权威性。
3. 系统性的不确定性量化： 在整个研究流程中，对实验测量、系统属性和环境激励的不确定性进行了详细的量化与传播分析，为模型验证提供了科学的置信区间，提升了研究结论的可靠性。
4. 揭示了关键的“调参矛盾”： 研究明确指出了一个对工程实践具有警示意义的发现：基于部分实验数据（如自由衰减）的模型参数调整，可能会损害模型在其他关键工况（如波浪中运动）下的预测能力，强调了建立全面、一致验证体系的重要性。
5. 明确了有效的技术路径： 不仅指出了问题，还通过大量对比分析，明确指出了“二阶QTF”、“实测波浪输入”和“完全非线性波浪运动学”等具体、可操作的模型改进特征，对工具开发者具有直接指导意义。

七、 其他有价值内容

研究附录详细列出了所有参与者所使用的具体建模方法、软件工具及关键参数设置（如拖曳系数、附加阻尼等），这为其他研究者复现或深入分析结果提供了宝贵信息。此外，论文提到了OC6项目后续将利用CFD工具对同一系统进行高保真度分析，并专注于使用双色波（bichromatic waves）来深入理解低频激励机理，这为未来更深入的研究指明了方向。所有OC6项目的数据和模拟结果将在项目结束后公开，这极大地促进了该领域的开放科学与协作研究。