【海洋可再生能源专刊】| 风浪流联合作用下漂浮式风机-波浪能集成平台动力响应试验研究

发布时间：2026-05-11来源：海洋工程中文版

论文导读与观点概要

1. 研究目的与背景

随着海洋可再生能源开发向深远海迈进，将风能与波浪能进行集成开发已成为提升资源利用效率的重要趋势。本研究针对一种新型的半潜式风机与摆式波浪能浮子集成平台（以“南鲲号”为基础升级改造），旨在通过物理模型试验，系统探究其在复杂海洋环境下的动力响应特性。

研究的核心目标是解决当前对这类集成平台在风、浪、流联合作用下整体动力响应特性研究不足的问题，特别是缺乏全面可靠的测试数据。通过分析不同海况（包括作业海况与极端海况）下的运动与载荷响应，为未来风能-波浪能集成平台的工程设计提供科学依据。

2. 试验方法与模型设计

研究在上海交通大学海洋工程全国重点实验室的海洋深水试验池中进行，采用1:60的缩尺比开展模型试验。

模型构建：

风机系统：基于MySE3.0风机方案，采用最大升力追踪法（MLT）设计模型叶片，以解决雷诺数缩尺效应，确保气动性能相似。

塔筒：采用三段变截面设计的刚度相似模型，经敲击试验验证，一阶固有频率相对误差仅0.21%。

浮式平台：在“南鲲号”基础上加大立柱尺寸并增加风机基座，采用3×3多点式系泊布局。

环境模拟：

风场：使用由68个扇叶构成的大尺度造风系统（WGS），配合3层整流网。

波浪与流：随机海浪谱遵循JONSWAP谱。试验涵盖了5种风速（W1-W5）与2种流速（C1, C2），共9种典型海况（LC1-LC9），其中LC8和LC9模拟台风极端环境。

3. 主要结果与分析

试验结果揭示了风、浪、流耦合作用下集成平台独特的动力学行为：

运动响应特性：

风载荷影响：在额定风速（9.3 m/s）下，风载荷使纵荡运动最大值增加29.2%。气动阻尼显著抑制了纵荡和纵摇运动在固有频率处的波动。

流载荷影响：海流作用加剧了气动阻尼效应，进一步减小了纵荡运动的波动性（标准差降低），但增强了纵摇运动的波动性。

极端海况：在台风风速（50 m/s）下，平台仍保持系泊状态，验证了其生存能力。

系泊与塔筒载荷：

系泊张力：额定风速下，系泊张力最大值提升20.2%。海流作用使张力最大值和平均值均有所增大。

塔筒载荷：塔底迎风向弯矩（）占主导地位，其响应最大值是塔顶弯矩的10倍以上。

传递特性：塔筒结构不仅将平台的波频响应传递至塔顶，也将塔顶的高频响应（nP）传递至塔底。

4. 结论

本研究得出以下主要结论：

气动阻尼效应显著：风载荷引入的气动阻尼能有效抑制平台纵荡运动的波动，海流则通过增强这一效应进一步稳定平台在流向的运动。

载荷叠加风险：风浪流联合作用显著增加了系泊系统的张力和塔底的弯矩载荷，设计时需重点考虑风载荷对平均值的贡献以及流载荷对波动性的增强作用。

结构传递机制：塔筒在高频（转子旋转频率）和低频（波浪频率）响应的传递中起关键作用，塔底弯矩是结构设计的控制性指标。

该研究为漂浮式风机与波浪能装置的集成化设计提供了宝贵的试验数据支撑，证实了该集成平台在复杂海况下的可行性，同时也指出了多能耦合带来的载荷挑战。

💡 推广亮点：

数据稀缺性：提供了新型风-波集成平台在“风浪流”全耦合环境下的稀缺物理模型试验数据。

工程实用价值：明确了塔底弯矩和系泊张力的设计控制点，对深远海能源装备开发具有直接指导意义。

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本文引用格式：许俊龙, 刘明月, 陈敏, 等. 风浪流联合作用下漂浮式风机-波浪能集成平台动力响应试验研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(2): 105-118. (XU Junlong, LIU Mingyue, CHEN Min, et al. Experimental study on the dynamic response of a floating wind turbine-wave energy integrated platform under combined wind, wave, and current conditions[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(2): 105-118. (in Chinese)）

作者简介：

许俊龙（2000—），男，河南周口人，硕士研究生，主要从事浮式风机动力响应研究。E-mail：xujunlong@sjtu.edu.cn

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