海上浮式风机研究现状展望——基于南海海域

袁剑平，毛鸿飞，潘新祥，贾宝柱，纪 然，赫岩莉

海上浮式风机研究现状展望——基于南海海域

袁剑平1，毛鸿飞1，潘新祥2，贾宝柱2，纪 然2，赫岩莉1

（1. 广东海洋大学海洋工程学院，广东 湛江 524088；2. 广东海洋大学海运学院，广东 湛江 524088）

【】总结和展望海上浮式风机研究的现状和未来发展趋势。对海上浮式风机空气动力学和水动力学特性的国内外研究进展进行综述，总结已获得的研究成果以及研究中存在的不足和局限。结合海上风机研究现状以及我国南海海域环境特征，展望南海海域浮式风机结构和锚泊系统受荷载特征研究方向。建议以研究多样化、区域特色化和装备智能化作为海上浮式风机动力特性研究方向。针对海上浮式风机动力特性研究对工程结构设计和工程安全具有重要的指导意义。

海洋工程；浮式风机；南海海域；智能化；空气动力学；水动力学

风能作为清洁能源和可再生资源，具有储量丰富、利用率高等诸多优点。我国的风能资源储量为3.226×1012W，其中工程实际可开发电量为2.53×1011W，开发潜力巨大[1]。利用风能发电的风机结构主要形式分为两种，即陆地风机和海上风机。海上风机相比陆地风机对土地资源需求更少，受风场要求等客观限制也相对更小。随着海洋资源开发的不断扩张，对清洁能源的需求量不断加大，我国海上风机的建设以及支持力度都在逐渐加大，设计理念、关键性技术以及配套产品已经日渐成熟。在设备生产和安装成本降低的条件下，对海上风机的研究和应用都成为海洋工程领域所关注的热点问题。按照固定形式不同，海上风机又可分为固定式风机（图1 a）和浮式风机（图1 b）。随着我国对海域使用管理的严格化和规范化，近岸海域的开发和使用受到了严格限制，深海海域的开发则成为海洋资源开发的重点。由于深海情况下固定式风机成本极高，其建设已经逐渐减少，浮式风机得益于其可以以较低成本适应于深海海域环境、风能利用率较高和发电效率稳定等优点，已成为当今海洋风电所主要使用的发电装置。

根据我国《可再生能源发展“十三五”规划》，截至2020年，我国海上风电开工建设的目标规模10 GW，确保并网5 GW。要达到并网容量目标，2017—2020年海上风电机并网容量复合增长率将达到32%。这对我国海上风机发电效率及风机结构的稳定性和安全性提出了更高要求。尽管国内外对于海上浮式风机动力特性已有诸多研究，但一些关键性问题仍有待于解决，一些关键技术还需进一步优化，如风机在特殊海域环境下的动力特性及风机智能化自驱动研究等。因此，开展对海上风机基础设施性能研究，对提高风机工作效率和安全性有重要意义。

本研究系统分析了国内外海上浮式风机性能研究中存在问题，结合我国南海海域实际海况特征，对海上风机结构稳定性和锚泊系统安全性研究提出合理化建议；从研究问题和理论方法多样化角度寻求海上浮式风机研究方向；提出智能化风机发展方向，旨在为海上浮式风机动力特性研究提供方向，对工程结构设计和工程安全有重要指导意义。

1 海上浮式风机研究现状

海上浮式风机由风机叶片、主体结构、浮式基础结构和锚泊系统构成，如图2所示。工作时，风机上的叶片受到气流的作用，作用力会传递到主体结构上，浮式平台受到流体的作用，作用力会传递给锚泊系统。因此，对海上浮式风机的研究分为空气动力学研究、水动力学研究、锚泊系统研究以及耦合研究。

1.1 风机空气动力学研究现状

对风机叶片的空气动力特性开展的早期研究多基于动量—叶素理论和涡尾迹方法开展。Glauert[2]提出了动量—叶素理论，并运用于叶片旋转运动中空气流动的分析。Wilson等[3]基于动量—叶素理论对风机叶片的空气动力学问题进行了研究。Gohard[4]采用涡尾迹方法对风机叶片的空气动力学问题开展了解析研究。Gupta[5]采用涡尾迹方法对风机叶片的非定常空气流动开展了计算研究。

近年来，基于流体运动理论的方法也用于风机空气动力学研究中，流体运动理论可分为势流理论和黏性流理论，前者基于理想流体假设建立，即流体无黏和流动无旋，后者考虑流体黏性和流动有旋性。Preuss等[6]和Whale等[7]分别基于势流理论对定常和非定常流作用下的叶片受力、运动以及空气流动特征开展了研究。但由于无法考虑黏性效应，基于势流理论的研究仍存在预测准确性上的问题。因而，近年来基于黏性流理论对风机空气动力学的研究被相应地提出并得到开展。Lu等[8]基于黏性流理论对均匀气流作用下风机叶片运动和尾部气流形态特性开展了研究。任年鑫[9]基于黏性流理论建立了二维数值计算模型，并对翼型结构空气动力学特性开展了研究。Zhou等[10]基于黏性流理论建立了三维数值计算模型，并对风机叶片分别在顺风气流和逆风气流作用下的运动以及气流流场特征开展了研究。

1.2 浮式风机水动力学研究现状

浮式风机的浮式平台基础结构包括单柱式（Spar）基础、张力腿式（TLP）基础和半潜式（Semi-sub）基础，如图3所示，不同的基础结构形式适用于不同深度的海域。对于风机浮式基础结构的水动力学研究是当今海洋工程领域的热点和难点问题。对于海洋中受到流和波浪的作用的浮式结构，尤其在深海海域，较大速度的流和强非线性波浪作用下结构上流体作用荷载和运动响应是工程安全性研究所考察的重点问题。

图1 海上风机

图2 浮式风机结构

图3 浮式风机基础结构示意

浮式基础结构水动力特性研究的基础流体运动理论为势流理论和黏性流理论。早期对浮式基础结构的流体荷载和运动响应的研究大多基于势流理论开展。阮胜福[11]基于势流理论采用三维计算模型研究了浮式基础结构在波流共同作用下的流体作用力和运动响应特征。何江贤[12]基于势流理论建立了三维数值计算模型，并对波流作用下浮式基础结构的水动力特性开展了研究。由于波浪与浮式基础结构相互作用时可能存在波浪破碎、越浪和气液掺混等复杂自由面问题，并且在流固相互作用过程中可能存在黏性效应和比尺效应等问题，这些均是基于势流理论建立的研究方法所无法实现和考虑的，因而黏性流理论越来越多地被应用于浮式基础结构的水动力特性研究中。Bredmose等[13]基于黏性流理论采用VOF自由面捕捉方法考察了波浪对浮式基础结构的冲击作用和波浪破碎现象。Tran等[14]基于黏性流理论对波浪作用下半潜式风机基础结构的水动力特性开展了数值研究，并将黏性流结果与势流理论下的结果进行了对比分析。Cheng等[15]考虑了风机的上部叶片分别处于工作和非工作两种状态，基于黏性流理论对浮式基础结构的水动力特性开展了数值计算研究。Dunbar等[16]基于黏性流理论建立了三维数值模型，对水深较大情况下半潜式风机基础结构的水动力特性开展了数值研究，通过与商业软件计算结果的对比，验证了其模型的正确性。

1.3 锚泊系统水动力学研究现状

为了简化模型，通常将锚泊系统分为细长杆和悬链线两种形式来开展研究。早期的研究以细长杆锚泊模型为主，Garrett[17]提出了具有弹性并可以改变为任意形状的细长杆锚泊模型，可以考虑锚泊拉力和流体荷载，并应用于相应的研究中。Arcandra[18]将Garrett[17]提出的细长杆模型加以改进，考虑材料的非线性，并研究了锚泊在流体作用下的应力应变特性。随着计算求解方法的不断进步，悬链线锚泊模型被提出并广泛应用于锚泊系统的水动力学研究中。Smith等[19]基于势流理论采用拉格朗日迭代法对悬链线锚泊的水动力特性开展了解析研究。Chai等[20]考虑了柔性材料，基于势流理论提出了悬链线锚泊分别处于完全悬垂和部分着底状态下荷载的计算方法。Brommundt[21]等基于势流理论优化了悬链线锚泊模型，并对半潜式基础结构在波浪作用下的水动力特性开展了数值计算研究。Zhang[22]基于黏性流理论，对半潜式基础结构在风、浪、流共同作用下锚泊系统的水动力特性开展了数值计算研究。此外，Musial等[23]结合实际海况，分析讨论了不同浮式基础结构下悬链线锚泊和垂直锚泊优缺点。

1.4 耦合研究现状

随着对风机部分结构空气动力和水动力特性相关研究的广泛开展和逐步深入，对海上浮式风机的耦合动力特性研究也逐渐被海洋工程领域学者重视并得到了开展。Withee[24]建立了浮式风机的耦合动力计算模型，并对风和非线性波浪作用下的浮式风机所受外部荷载以及整体运动响应开展了数值模拟研究。Skaare等[25]应用 SIMO/RIFLEX和HAWC2软件对风机与浮式基础的耦合动力特性进行了数值模拟。Jokman[26-27]基于势流理论建立了可以考虑风和流共同作用下浮式风机动力特性的耦合计算模型，并在频域内对浮式风机在浅水和深水状态下的荷载和运动响应开展了数值计算研究，分析了不同水深情况下风机的发电性能和成本，综合考虑和讨论了经济效益问题。Zhang等[28]建立了浮式风机的耦合计算模型，其中空气动力计算采用解析方法，水动力计算采用WAMIT软件，锚泊系统荷载采用有限元方法进行计算，并采用该耦合模型对Spar浮式风机的荷载和运动响应问题开展了数值模拟研究。Zhang等[29]基于势流理论建立了可以考虑海上浮式风机在风、浪、流联合作用下动力特性的耦合计算模型，对深水条件下WindFloat 型半潜式浮式风机的动力特性开展了数值模拟研究。Zhao等[30]采用空气动力学理论、水动力学理论和多浮体运动学理论对超大型半潜浮式风机开展了动力学特征耦合计算研究，发现在低频激振风荷作用下，系统脉动分量和运动有显著增加。对于浮式风机耦合计算分析研究而言，基于黏性流理论开展的研究仍处于有待完善的阶段，其中一些耦合计算方法、数值离散方法和结构物运动响应计算方法等方面仍有待于进一步优化和改进。

2 南海海域特点和研究需考虑问题

随着世界各国对能源安全、生态环境和气候变化等问题日益重视，加快发展风电已成为国际社会推动能源转型发展、应对全球气候变化的普遍共识和一致行动。我国在近年来也极为重视风电事业的发展，过去10年，在国家政策的大力推动下，我国风电产业蓬勃发展。但数据显示，2017年全国（除港、澳、台地区外）新增装机容量1 966×1014kw，同比下降15.9%；累计装机容量达到1.88×109kw，同比增长11.7%，增速放缓，其主要原因在于陆上风电现有产能利用率低。因而，海上风电的开发及产能提高问题也是我国风电产业发展的重点关注问题。由于海域面积大，风能储藏量高等优势，南海海上风电开发则是我国风电发展的主要方向。

2.1 南海海域台风

我国广东省沿海拥有4 114 km海岸线和41.93×104km2辽阔海域。沿海地带处于亚热带和南亚热带海洋性季风气候区，冬、夏季季候风特征十分明显。同时，南海海域也是我国热带气旋影响最为频繁的区域，台风对海洋资源开发和利用的影响必须加以考虑和重视。南海海域台风过境情况下，海上浮式风机的空气动力特性是有待于研究的问题，采用物理模型试验和数值模拟方法获得叶片和主体结构所受气流荷载的预测值是对海上浮式风机的安全性研究的重要问题，这对于风机结构的设计有重要的参考意义。

2.2 南海海域波流作用强

热带气旋过境时，海面及海面以上的风力极大，由于夹卷作用，会引起巨大的波浪和海流。波浪作用于浮式风机的基础结构时，会产生波浪冲击和越浪等灾害性问题，波浪冲击力有作用时间短，作用力较大的特征，容易导致结构的损坏。另外，当流速较大，波浪作用较强的情况下，锚泊也会受到较大的拉力。因此，对于南海海域而言，需要对强非线性波浪和较大流速海流作用下浮式风机的水动力特性开展研究，针对风机结构所受流体荷载、风机结构的运动响应以及锚泊系统荷载全面系统地考察。

3 海上浮式风机研究方向和展望

3.1 研究理论、方法和问题多样化

海上浮式风机相比近岸固定式风机的研究起步较晚，仍存在诸多的问题有待于研究和解决。针对前人研究局限性和研究理论多样化角度来看，对于海上浮式风机在风、浪、流耦合作用下的研究由于其较复杂，现阶段研究多基于势流理论开展。但由于势流理论建立在一定的假设条件下，无法考虑流体黏性和流动有旋性，对于黏性效应较显著的物理问题，对结果预测无法足够准确。因此，考虑流体黏性和流动有旋性对结构承受荷载、结构运动响应和锚泊系统受力的影响，基于黏性流理论对海上浮式风机的耦合研究有待于进一步开展和完善。从研究方法多样化角度来看，数值模拟方法作为当今流体动力学研究的主流方法已逐渐成为浮式风机研究的主要方法。物理模型试验研究方法也可以作为研究手段对浮式风机的运动响应有直观的研究作用，并且可以用于对数值计算模型的验证，但由于其无法考虑比尺效应问题，物理模型试验研究仍存在一定的局限性。原型试验是在海洋真实环境中开展的试验研究，其具有真实、准确、直观的研究特点，可以结合近年来南海沿海地区开展的海上试验场项目进行相应的研究。从研究问题多样化角度来看，浮式风机的建造材料、锚泊系统的锚固型式以及传递电能的海底管线受海流冲刷、耐腐蚀性和涡激振动等均是需要进一步开展研究的问题。

3.2 结合海域特点开展区域特色研究

如前文所述，我国南海海域具有台风危害较大、强非线性波浪多、海流流速较大等特点。针对南海海域的这些特点，对浮式风机的荷载、运动响应以及锚泊系统荷载等问题开展研究。以浮式风机工作稳性和安全性为前提，研究各个海域海况常年的风力、海流流速以及波浪强度等特点，并对不同海域自然特征下浮式风机的动力特性开展研究，寻找适合开展浮式风机建设的海域。

3.3 海上浮式风机智能化

“智能化”对于当今世界已经不再陌生，它在很多领域已经给人们的日常生活带来了变革。但相比其他行业，海洋工程领域的生产工作仍比较粗放，智能化的概念还未普及。“智慧海洋”是近年来我国提出的新概念，海洋装备的智能化则是我国海洋工程领域课题研究的重要方向。海上浮式风机智能化的目的最终要落实到其工作生产效率和安全性上。结合智能化监测系统，对浮式风机的发电效率进行实时监控，同时可以分析该区域海况的风能特征。装配智能化感应设备，在风机承受荷载较大、运动响应剧烈并且锚泊荷载较大时进行预警，保障风机工作的安全。研制智能化动力系统，在风机受外界作用强烈，结构位移较大，锚泊系统受力较大时，动力系统为风机提供反向动力，使风机回到平衡位置，降低锚泊系统受力，提高安全性。

4 结论

海上浮式风机是对海上风能资源开发的重要工具。对比其他形式的风机，海上浮式风机受到环境影响更为复杂，因此准确预测风机所受荷载、运动响应以及锚泊系统荷载等重要物理量对海上风机的设计和工作生产安全性都有着重要意义。本研究对海上浮式风机动力特性的研究现状进行了介绍，按照研究内容不同分为叶片的空气动力特性、风机基础结构的水动力特性、锚泊系统的水动力特性以及耦合作用研究，并分别按照研究理论和方法的区别进行了详细的说明。进一步，结合南海海域的自然条件特征，提出了在南海海域开展浮式风机研究所需要考察和研究的问题，即台风和波流作用较大的问题。最后，展望海上浮式风机研究方向，从研究多样化角度，结合南海海域特点角度以及海洋装备智能化角度分别提出了海上浮式风机动力特性的研究方向。开发南海资源已经是我国现阶段发展的重要工作，海上浮式风机的研究则是海洋能源开发利用的重要课题，本文为海上浮式风机研究提供参考。

[1] 薛桁, 朱瑞兆, 杨振斌, 等. 中国风能资源贮量估算[J]. 太阳能学报, 2001, 22(2): 167-170.

[2] GLAUERT H. Airplane propellers[M]. Berlin, Springer, 1935.

[3] WILSON R E, LISSAMAN P B S. Applied aerodynamics of wind power machines[R]. Corvallis, Oregon State University, 1974.

[4] GOHARD J C. Free wake analysis of a wind turbine aerodynamics[M]. California, Massachusetts Institute of Technology, Department of Aeronautics and Astronautics, Aeroelastic and Structures Research Laboratory, 1978.

[5] GUPTA S. Development of a time-accurate viscous Lagrangian vortex wake model for wind turbine applications[D]. Marylind: University of Marylind, 2006.

[6] PREUSS R D, SUCIU E O, MORINO L. Unsteady potential aerodynamics of rotors with applications to horizontal-axis windmills[J]. AIAA Journal, 1980, 18(4): 385-393.

[7] WHALE J, FISICHELLA C, SELIG M. Correcting inflow measurements from J3 AWTS using a lifting-surface code[J]. Urbana, 1999, 51: 61.

[8] LU H, PORTÉ-AGEL F. Large-eddy simulation of a very large wind farm in a stable atmospheric boundary layer[J]. Physics of Fluids, 2011, 23(6): 1-20.

[9] 任年鑫. 海上风力机气动特性及新型浮式系统[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011.

[10] ZHOU H, WAN D C. Numerical investigations on the aerodynamic performance of wind turbine: Downwind versus upwind configuration[J]. Journal of Marine Science and Application, 2015, 14(1): 61-68.

[11] 阮胜福. 海上风电浮式基础动力响应研究[D]. 天津: 天津大学, 2010.

[12] 何江贤. 系泊式新能源平台水动力分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2015.

[13] BREDMOSE H, JACOBSEN N G. Vertical wave impacts on offshore wind turbine inspection platforms[C]. //Proceedings of ASME Conference on ASME 2011 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, 2011: 645-654.

[14] TRAN T T, KIM D. The coupled dynamic response computation for a semi-submersible platform of floating offshore wind turbine[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2015, 147: 104-119.

[15] CHENG P, WAN D C. Hydrodynamic analysis of the semi-submersible floating wind system for phase II of OC4[C]. Hawaii, Proceedings of the Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference, 2015: 346-353.

[16] DUNBAR A J, CRAVEN B A, PATERSON E G. Development and validation of a tightly coupled CFD/6-DOF solver for simulating floating offshore wind turbine platforms[J]. Ocean Engineering, 2015, 110: 98-105.

[17] GARRETT D L. Dynamic analysis of slender rods[J]. Journal of Energy Resources Technology, 1982, 104(4): 302-306.

[18] ARCANDRA. Hull/Mooring/Riser coupled dynamic analysis of a deepwater floating platform with polyester lines[D]. Texas: Texas A & M University, 2001.

[19] SMITH R J, MACFARLANE C J. Statics of a three component mooring line[J]. Ocean Engineering, 2001, 28(7): 899-914.

[20] CHAI Y, VARYANI K S, BARLTROP N. Semi-analytical quasi-static formulation for three-dimensional partially grounded mooring system problems[J]. Ocean Engineering, 2002, 29(6): 627-649.

[21] BROMMUNDT M, KRAUSE L, MERZ K O, et al. Mooring system optimization for floating wind turbines using frequency domain analysis[J]. Energy Procedia, 2012, 24: 289-296.

[22] ZHANG R Y, TANG Y G, HU J, et al. Dynamic response in frequency and time domains of a floating foundation for offshore wind turbines[J]. Ocean Engineering, 2013, 60: 115-123.

[23] MUSIAL W, BUTTERFIELD S, BOONE A. Feasibility of floating platform systems for wind turbines[C] //42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit. Reston, Virginia: AIAA, 2004.

[24] WITHEE J E. Fully coupled dynamic analysis of a floating wind turbin systems[D]. California: Naval Postgraduate School, 2004.

[25] SKAARE B, HANSON T D, FINN NIELSEN F G. Anders melchior hansen integrated dynamic analysis of floating offshore wind turbines[C]. Hamburg, Proceedings of OMAE 25th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2006.

[26] JONKMAN J, BUTTERFIELD S, MUSIAL W, et al. Definition of a 5-MW reference wind turbine for offshore system development[R]. Gold, Colorado, National Renewable Energy Laboratory, 2009.

[27] JOKMAN J M. Definition of the floating system for phase IV of OC3[R]. Gold, Colorado, National Renewable Energy Laboratory, 2010.

[28] ZHANG L, WU H T, YE X R, et al. Coupled dynamic analysis of a spar type floating wind turbine[J]. Advanced Materials Research, 2011, 346: 433-439.

[29] ZHANG R Y, TANG Y G, HU J, et al. Dynamic response in frequency and time domains of a floating foundation for offshore wind turbines[J]. Ocean Engineering, 2013, 60: 115-123.

[30] ZHAO Z X, LI X, WANG W H, et al. Analysis of dynamic characteristics of an ultra-large semi-submersible floating wind turbine[J]. Journal of Marine Science and Engineering, 2019, 7(6):169-197.

Research Situation and the Prospect of Floating Wind-turbine in the South China Sea

YUAN Jian-ping1, MAO Hong-fei1, PAN Xin-xiang2, JIA Bao-zhu2, JI Ran2, HE Yan-li1

（1.,,524088,; 2.,,524088,）

【】To summarize and discuss the research status and prospect of development trend on floating wind-turbine.【】After reviewing the developing experience of aerodynamic and hydrodynamic characteristics for floating wind-turbine, an overview is presented on the present situation and concealed problems. Based on the research actuality on floating wind-turbine and the environment characteristics of the South China Sea, an expectation for the future research directions and contents for the studies on the wind turbine structures and mooring systems under fluid load in the South China Sea is made.【】Some reasonable suggestions,diversification, characteristics of the South China Sea region and intelligent equipment, for the research targets of the dynamic characteristics of floating wind-turbine are proposed.【】Research on the dynamic characteristics of floating wind-turbine has an important guiding significance to structural design and engineering safety.

marine engineering; floating wind-turbine; the South China Sea; intelligent; aerodynamics; hydrodynamics

TV139.2+6

A

1673-9159（2020）05-0133-06

10.3969/j.issn.1673-9159.2020.05.017

2020-05-12

广东省自然科学基金（51979045，51479017）；国家装备预研基金项目（6142204190711）；国家国防科工局稳定支持课题（JCKYS2019604SXJQR-02）；广东省教育厅重点领域专项（2019KZDZX1024）；广东省教育厅高校青年创新人才项目（2019KQNCX045）；广东海洋大学科研启动费项目（120602-R19024）；广东省“冲一流”省财政专项资金建设项目（231419010）

袁剑平（1979－），男，高级工程师，研究方向为船舶智能控制系统开发。E-mail: yjp_103@163.com

毛鸿飞（1985－），男，讲师，研究方向为波浪与结构物的相互作用。E-mail：maohongfei-gdou@qq.com

袁剑平，毛鸿飞，潘新祥，等. 海上浮式风机研究现状展望[J]. 广东海洋大学学报，2020，40（5）：133-138.

（责任编辑：刘朏）