【论文推荐】| 竖向气流对浮式风力机动态载荷与响应影响研究

论文导读与观点概要

一、研究目的 

随着全球海上风电产业加速向深远海及大型化方向迈进，下击暴流、台风滚涡及低空急流等极端气象条件对大型浮式风力机结构安全构成了严峻挑战。在经典风力机气动性能与动态响应研究中，竖向气流长期被简化为零均值随机过程，然而极端天气下显著的非零均值竖向风速作用已逐渐引起学界与工程界的广泛关注。现有文献多聚焦于竖向风速对静止状态大型工程结构的影响，针对处于复杂动态变化过程中的浮式风力机，尤其是考虑其独特气动外形与平台运动的竖向气流耦合效应研究仍相对匮乏。若在设计阶段忽略该因素，可能引发难以预料的结构安全隐患。鉴于此，本研究以主流15 MW浮式风力机系统为对象，旨在系统揭示不同风况与运行状态下竖向气流对浮式风力机动态载荷及结构响应的演化规律，为深远海浮式风电装备的抗风设计与安全评估提供坚实的理论支撑。

二、研究方法 

本研究构建了高精度的气动-水动-结构-控制多体耦合动力学模型，以NREL 15 MW风力机与VolturnUS-S半潜式平台组成的浮式系统为研究对象。研究基于OpenFAST v3.4.1开源平台，深度集成了基于叶素动量定理的气动模块、势流理论水动模块、ROSCO伺服控制模块以及Kane多体动力学结构模块。在环境载荷模拟方面，引入von Karman谱（代表良态风况）与JET风谱（代表特异风况）两种脉动风谱模型，并耦合JONSWAP波浪谱及海流参数。研究将竖向气流风速设为核心控制变量，设定从0 m/s至6 m/s的梯度递增工况。在此基础上，全面开展了涵盖正常运行（轮毂来流风速12 m/s）、切出风速停机状态（轮毂来流风速25 m/s）以及特异与良态风况下的多维参数化分析，并采用Davenport峰值因子方法对风力机的气动载荷与位移响应极值进行了严谨的统计分析。

三、研究结果 

研究表明，竖向气流对浮式风力机y、z方向气动载荷具有显著放大效应，但对叶尖及塔顶位移的直接影响相对较小。在正常运行状态下，y、z方向气动载荷极值随竖向风速增大而显著上升，x方向则呈下降趋势；良态风况下气动力与力矩增幅分别为23.22%和3.12%，特异风况下则高达108.83%和48.15%。在停机状态下，竖向气流的影响更为剧烈，气动力与力矩极值最大增幅分别达到272.42%和237.26%。对比分析发现，相同竖向风速下，良态风况引发的载荷极值增幅（最大达103.23%）及位移极值增幅均高于特异风况；然而，特异风况对竖向气流的敏感度更高，其动态载荷与响应的变化趋势更为剧烈。此外，风轮运行状态表现出显著的抑制效应：正常运行下叶尖位移极值随竖向风速增大呈减小趋势，而停机状态下则持续增大，挥舞位移最大增幅高达131.81%。

四、研究结论 

以15 MW浮式风力机为研究对象，在验证动力学模型和风场模拟有效性的基础上，系统分析了竖向气流在不同风况下对浮式风力机动态响应的影响程度。主要研究结论如下：

1）竖向气流对风轮气动载荷影响显著，而对叶尖位移和塔顶位移影响相对较小。其中y方向和z方向风轮气动载荷随竖向风速增大呈增大趋势，相较于无竖向风速工况，正常运行状态下（来流风速12 m/s）和停机状态下（来流风速25 m/s）风轮气动载荷极值最大增幅分别为108.83%和216.41%。正常运行状态下（来流风速12 m/s）叶尖位移随竖向风速增大整体上呈现减小的变化规律，最大变幅为4.73%。停机状态下（来流风速25 m/s）叶尖位移随竖向风速的增大呈现不断增大的趋势，摆振位移最大增幅仅为4.79%，但竖向气流对挥舞位移影响较大，最大增幅为131.81%。塔顶位移随竖向风速增大呈增大的趋势，正常运行状态下（来流风速12 m/s）和停机状态下（来流风速25 m/s）塔顶位移极值最大增幅分别为6.02%和24.55%。

2）相同竖向风速下，良态风况下的气动载荷和动态响应较特异风况均有所增加。但特异风况对竖向气流敏感程度大于良态风况，随竖向风速增加特异风况引起的浮式风力机动态载荷和响应变化趋势更为显著。相同竖向风速下，良态风况引起的气动载荷极值相较于特异风况最大增幅为103.23%；叶尖位移极值相较于特异风况最大增幅为57.56%，塔顶位移极值相较于特异风况最大增幅为63.62%。随着竖向风速增加，良态风况和特异风况引起的气动载荷极值增幅分别为210.94%和216.41%，叶尖位移极值增幅分别为2.56%和4.73%，塔顶位移极值增幅分别为10.91%和24.55%。

3）受叶片三维旋转效应和控制策略影响，风轮运行状态对浮式风力机具有抑制竖向气流影响的效果。正常运行状态下（来流风速12 m/s）气动力和气动力矩极值最大增幅分别为108.83%和48.15%，而停机状态下（来流风速12 m/s）最大增幅分别为272.42%和237.26%。正常运行状态下（来流风速12 m/s）叶尖位移极值随竖向风速呈不断变小的趋势，而在停机状态下（来流风速12 m/s）则呈现不断增大的趋势。正常运行状态下（来流风速12 m/s）塔顶位移极值最大增幅为6.02%，而停机状态下（来流风速12 m/s）最大增幅为42.75%。上述结果表明对于停机状态下的浮式风力机应更为关注竖向气流影响，避免因竖向气流导致的结构安全问题。

相关图表

本文引用格式：蔡茂文, 王浩, 蔡新, 等. 竖向气流对浮式风力机动态载荷与响应影响研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 43-56.  (CAI Maowen, WANG Hao, CAI Xin, et al. Influences of vertical airflow on dynamic loads and responses of floating wind turbines[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 43-56.  (in Chinese)）

作者简介：   

蔡茂文（2000—），女，江苏人，硕士研究生，主要从事浮式风力机动力学响应研究。E-mail： caimw3@163.com

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