这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：

作者与发表信息

该研究由Ping Cheng、Yang Huang和Decheng Wan共同完成，他们来自上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，同时也是先进船舶与深海探索协同创新中心的成员。该研究发表在期刊《Ocean Engineering》上，于2019年出版，卷号为173，页码为183-196。

学术背景

该研究的主要科学领域是海洋工程，特别是针对浮动式海上风力发电机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）的完全耦合气动-水动力分析。随着传统化石燃料的过度开发，能源危机和环境污染问题日益严重，风能作为一种清洁的可再生能源，尤其是海上风能，因其风速高、资源丰富等优势，受到了全球关注。然而，设计FOWT系统面临复杂的结构、环境载荷和耦合效应的挑战，尤其是在水深超过50米的海域，浮动式风力发电机成为更具成本效益的选择。

研究的背景知识包括风力发电机的气动分析和水动力分析，以及两者之间的耦合效应。传统的固定式风力发电机或浅水区固定式风力发电机与FOWT相比，FOWT承受更为复杂的环境载荷，包括涡轮转子的气动力、浮动平台的水动力和系泊力等。这些力通过塔架传递到浮动平台，影响平台的动态响应，而平台的运动又通过改变涡轮叶片所经历的相对流速影响其气动性能。因此，研究FOWT系统的完全耦合气动-水动力行为具有重要意义。

该研究的主要目标是建立一个完全耦合的气动-水动力数值模型，用于模拟浮动式海上风力发电机的动态响应，并分析气动力与水动力之间的相互作用。

研究流程

研究流程包括以下几个主要步骤：

1. 模型建立与求解器开发
   研究团队基于开源CFD软件OpenFOAM开发了完全耦合的气动-水动力求解器FOWT-UALM-SJTU。其中，气动模拟采用非定常致动线模型（Unsteady Actuator Line Model, UALM），水动力模拟则采用两相CFD求解器NAOE-FOAM-SJTU。该模型通过求解三维雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程，并结合k-ω SST湍流模型进行闭合，采用PISO（Pressure-Implicit with Splitting of Operators）算法求解压力-速度耦合方程。

2. 研究对象与模拟设置
   研究对象为安装在半潜式平台上的NREL-5MW基准风力发电机。研究通过模拟获取了风力发电机的气动力（包括非定常气动功率和推力）以及浮动平台的六自由度运动响应和系泊张力。研究还分析了平台动态运动对风力发电机气动性能的影响，以及气动力对平台水动力响应的作用。

3. 气动模型验证
   研究首先对UALM模块进行了验证，通过与“盲测1”实验数据的对比，验证了该模块在气动模拟中的可靠性。此外，还对NREL-5MW风力发电机在不同稳态风速下的气动力和功率进行了模拟，结果与其他研究结果吻合良好，进一步验证了求解器的可靠性。

4. 水动力模型验证
   研究对NAOE-FOAM-SJTU求解器进行了验证，包括波浪生成与吸收模块的验证，以及半潜式平台在规则波条件下的水动力响应验证。通过对比实验数据和其他数值工具的结果，验证了该求解器在模拟平台水动力响应方面的准确性。

5. 完全耦合模拟
   研究对OC4项目第二阶段半潜式FOWT系统进行了完全耦合气动-水动力模拟，分析了两种不同波浪条件下的系统响应。模拟结果表明，气动力和功率均表现出显著的周期性波动，且波动周期与入射波浪周期一致。此外，波浪幅度的增加显著增大了气动力的波动幅度，但对气动力的平均值影响较小。

6. 耦合效应分析
   研究详细分析了平台运动对风力发电机气动性能的影响，以及气动力对平台水动力响应的作用。结果表明，平台运动通过改变涡轮叶片的相对流速影响气动力，而气动力则通过塔架传递到平台，显著增加了平台的平均运动。此外，波浪幅度的增加还显著增大了平台运动的波动幅度。

主要结果

1. 气动模拟结果
   研究获得了NREL-5MW风力发电机在两种不同波浪条件下的气动力和功率。结果表明，气动力和功率均表现出显著的周期性波动，且波动周期与入射波浪周期一致。波浪幅度的增加显著增大了气动力的波动幅度，但对气动力的平均值影响较小。

2. 水动力模拟结果
   研究分析了半潜式平台在规则波条件下的水动力响应，包括纵荡、垂荡和纵摇运动。结果表明，平台运动表现出显著的周期性波动，且波动周期与入射波浪周期一致。气动力的作用显著增加了平台的平均运动，但对波动幅度的影响较小。

3. 耦合效应分析结果
   研究详细分析了平台运动对风力发电机气动性能的影响，以及气动力对平台水动力响应的作用。结果表明，平台运动通过改变涡轮叶片的相对流速影响气动力，而气动力则通过塔架传递到平台，显著增加了平台的平均运动。

结论

该研究成功建立了一个完全耦合的气动-水动力数值模型，用于模拟浮动式海上风力发电机的动态响应。研究结果表明，平台运动对风力发电机的气动性能有显著影响，而气动力对平台的水动力响应也有显著作用。此外，波浪幅度的增加显著增大了气动力和平台运动的波动幅度，但对气动力的平均值影响较小。该研究为FOWT系统的设计和优化提供了重要的理论依据和数值工具。

研究亮点

1. 创新性模型
   研究开发了基于OpenFOAM的完全耦合气动-水动力求解器FOWT-UALM-SJTU，结合了非定常致动线模型和两相CFD求解器，能够高效、准确地模拟FOWT系统的动态响应。

2. 全面的验证
   研究对气动和水动力模型进行了全面的验证，确保了求解器在模拟气动力和水动力响应方面的可靠性。

3. 深入的耦合效应分析
   研究详细分析了平台运动与风力发电机气动性能之间的相互作用，揭示了气动力与水动力之间的复杂耦合机制。

其他有价值的内容

研究还探讨了波浪条件对FOWT系统性能的影响，为FOWT系统在不同海洋环境下的设计和优化提供了重要参考。此外，研究还分析了尾流涡结构的演化，揭示了平台运动对尾流涡结构的扰动作用。

通过该研究，研究人员为FOWT系统的设计和优化提供了重要的理论依据和数值工具，对推动海上风能的发展具有重要意义。