为助力双碳目标实现，构建以新能源为主体的新型电力体系，清洁风能资源开发逐渐由近海向深远海推进，而适用于更深海域的漂浮式海上风力机势必成为深远海丰富风能资源开发的首选手段。
《“十四五”可再生能源发展规划》提出：“积极推动近海海上风电规模化发展”“推动深远海海上风电技术创新和示范应用”“‘十四五’末我国海上风电累计装机容量将达1亿kW以上，到2030年达2亿kW以上”，随着海上风电开发由近海向深远海推进，深远海漂浮式风力机是海上风电的主要发展方向[1]。
在漂浮式海上风电领域，英、法、葡和丹麦等国家处于领先地位，从1972年漂浮式风机概念首次提出，到2017年全球首座漂浮式风电场Hywind 投入运行（如图1所示），再到2022年底全球漂浮式风电装机容量近200MW，漂浮式技术已完成从概念、示范到商业应用的蜕变。在欧洲风能协会制定的2050年450 GW欧洲海上风电装机目标中，100-150 GW将由漂浮式风电提供[2]。近年来，我国漂浮式海上风电也取得了一些瞩目的进展，三峡“引领号”（如图2所示）、中船“扶摇号”、中海油“观澜号”（如图3所示）等示范样机相继下海投产运行，在建海南万宁100万kW漂浮式海上风电试验项目单机容量达16MW。但是，漂浮式风电仍面临度电成本太高、技术成熟度不足、安全可靠性缺少长期验证等关键瓶颈问题，是目前国内外风电和海洋工程领域研究的前沿和热点[3]。
图1 Hywind风电场 图2三峡“引领号” 图3 中海油“观澜号”
在海风-波浪-潮流-风力机旋转运动的复杂耦合作用下，漂浮式风力机会发生显著且复杂的非线性多自由度流致运动（纵摇、纵荡、横摇、横荡、艏摇、垂荡等（如图4所示））[4]。漂浮式风力机相较于传统海工石油平台，由于其上部搭载有高耸风力机，故整体重心位置更高，因此对风与波浪激励更敏感，尤其是在当前风力机朝着“大容量、大尺寸”的发展趋势下，漂浮式支撑基础轻微的运动，都会引起高耸的风轮发生较大幅度的动力响应，平台运动加剧，更加容易发生倾覆。同时，多自由度动态响应极大地加剧了风力机空气动力学的复杂性，将导致作用在风力机叶片上的实际风速波动，进而导致输出功率波动，或是出现影响正常运行的姿态，导致停机。所以，动态响应给机组、平台设计和运行维护带来了巨大的挑战，是漂浮式风力机气动力、结构、水动力以及系泊系统研究的核心，是目前海上风电和海洋工程领域研究的前沿和热点问题。
图4 漂浮式风力机多自由度运动响应示意图
3.2 漂浮式风力机绕流场演变特性研究现状
绕流问题一直是流体力学研究的重点内容之一，其涉及到流动分离、边界层转捩、漩涡的生成、演化以及它们之间的相互作用。漂浮式风电机组由于存在复杂的多自由度运动，其入流及尾流结构更为多变，还存在旋转叶片和自身尾流相互干涉的情况。国内外许多学者针对漂浮式风力机的尾流特性开展了相关研究。
Yuan等[5]利用一种改进的延迟分离涡模拟(IDDES)的CFD方法，对1:50漂浮式水平轴风力机模型的尾迹进行了模拟研究（如图5所示）。Lee等[6]利用非线性VLM方法与涡粒子法(Vortex Particle Method)耦合的方法，分析了漂浮式海上风力机平台运动对风力机尾流的影响。 Lin等[7]利用计算流体力学软件OpenFOAM，发现在发生“纵摇+纵荡”组合运动时，尾流轴向速度呈明显的非对称性和时变性，且交变的纵荡方向会改变涡带间距。Tang等[8]采用RANS k −ε模型和基于OpenFOAM的重叠网格技术，研究了纵摇运动对风力机尾流的影响，并将实体风力机和致动线方法的模拟结果进行了对比，研究发现致动线方法高估了尾流恢复速度和尾流扩张角，纵摇运动振幅增大时，尾流区的尾流会加速恢复。Rockel 等[9]针对两台串列排布的风力机开展了风洞试验，通过计算涡粘性系数和混合长度描述了尾流之间的相互作用。Meng等[10]在均匀来流风洞中进行了纵荡和横荡运动对风力机机模型尾流特性影响的实验研究。Li等[11]采用ALM＋大涡模拟的方法探究了风力机分别层流入流条件和湍流入流条件下进行纵荡运动时的尾流演变情况，研究发现层流入流时，进行纵荡运动的风力机对比固定式风力机尾迹结构差异明显，而采用真实湍流度入流条件时，尾迹结构差异不明显。Kuang等[12]利用STAR-CCM＋对两台串列布置的漂浮式垂直轴风力机进行了相关模拟，研究了不同的纵摇周期和幅值对两台风力机尾流的影响。Zhang等[13]基于非定常雷诺平均Navier-Stokes湍流模型，对双转子漂浮式风力涡轮机的功率特性和尾流特性进行了研究，研究发现，在纵荡运动时，双转子风力机对比单转子风力机，功率和尾流恢复特性都得到了提升，并对远尾流区提出了修正的尾流模型。Yao等[14]采用由CFD尾流模拟和时域气动-水力-伺服弹性模拟组成的漂浮式风力机交互式分析框架，分析了风力机全寿命尾流诱导疲劳载荷，研究发现现行IEC 61400-1标准中采用的Frandsen模型严重低估了漂浮式风力机尾流湍流，导致风、浪联合作用下，上下游风力机间距为8D~ 10 D时，预测的塔基疲劳损伤等效载荷降低约10~15%。Xu等[15]将浮式风力机放入经过充分发展的大气边界层湍流场，结合致动线和大涡模拟方法联动OpenFAST实时改变体积力的大小和位置，从而实现漂浮式风力机仿真模拟。Arabgolarcheh等[16]基于ALM方法研究了搭配四种不同平台的浮式风力机远尾流特征。Fu等[17]采用CFD方法和重叠网格技术，对海洋平台上全构型漂浮式风力机在剪切来流和纵摇运动耦合作用下的气动和尾流特性进行了数值分析。
图5 纵荡运动对尾流涡量演变的影响[5]
综上所述，目前针对漂浮式风力机尾流特性研究主要集中在强迫纵摇、纵荡等单自由度运动等影响上，研究的工况有限，且多以数值模拟为主，漂浮式风力机尾流演变机理还不够清晰，有待进一步深入研究，尤其缺少相应的风洞或水池实验数据，同时缺少对漂浮式HAWT阵列布局时多机组尾流相互干扰的探讨。因此，非常有必要进一步开展漂浮式风力机绕流场演变及恢复过程特性。
3.1 漂浮式风力机气动动态载荷特性研究现状
漂浮式风力机载荷异常复杂，是涉及水动力（潮流、波浪等）、气动力（剪切风、湍流风、尾流等）、锚泊力等多场耦合的极其复杂非线性动力学问题。本项目重点在获得漂浮式风力机运动响应的基础上，探究在不同风浪流环境下漂浮式风力机气动载荷动态特性。
目前对于气动特性的研究主要采用数值模拟和实验的方法，常见的数值方法包括叶素-动量理论（Blade Element Method，BEM）、涡格法（Vortex Lattice Method，VLM）、计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）等。叶素-动量理论是目前研究气动特性的一种常用方法，广泛运用于风力机叶片气动性能的计算，Bladed、FAST软件中的空气动力学部分均是基于叶素动量理论开发的。韩清凯等[18]基于叶素-动量理论，提出了一种用于漂浮式海上风力机的风载荷计算模型，并比较了不同自由度漂浮运动对风力机功率波动的影响，发现纵摇对其影响最大。刘强[19]利用FAST软件对三种典型浮式风力机的动态响应进行了模拟研究，基于得到的运动规律利用CFD方法和B-L动态失速模型比较分析了风力机翼型的气动特性，利用BEM和CFD方法分析了风轮的气动特性，接着采用致动线模型模拟分析了尾迹特性，并利用模型实验验证了上述数值模型计算结果。白玥[20]基于粒子群算法对FAST软件进行二次开发，研究了波浪作用对结合NREL 5MW的OC3-Hywind漂浮式风力机气动性能的影响规律，并基于典型海况，以发电机输出功率最大为优化目标，实现对风力机叶片气动外形的自动寻优，对叶片进行了优化设计。Zhe等[21]基于BEM方法，研究了NREL 5 MW在强湍流和长时间高风速的台风过程中的最大空气动力响应。Devashish等[22]以叶素动量理论为基础，考虑了尾流的影响，采用扩展形式叶片克服了其在设计和预测方面的局限性。
计算流体力学方法的优点是可以实现模拟整个计算域进行全耦合分析，但与BEM方法相比需要更高的计算机算力。陈子文等[23]采用CFD方法，运用动网格和滑移网格结合的技术对海上浮式风力机进行了数值模拟，结果表明风剪切作用会加剧风电机组的功率和推力波动。李盼雨[24]利用OpenFAST代码，模拟了三种较为常见的漂浮式风力机的运动响应，并建立缩比模型进行风洞实验，用ANSYS Fluent软件模拟分析了运动响应对风力机气动特性的影响。刘世杰[25]利用三维CFD数值模型对海上浮式树形风力机的气动特性进行了研究，分析了不同高宽比下转子偏航气动性能，综合分析选择最优型号，并分析了该型号转子在不同转速下的气动扭矩与尾流特性，最后与风洞试验进行对比。任年鑫等[26]选用Newmark-β方法对典型张力腿式5MW海上风力机平台求解了在风-浪-流联合作用下的运动方程，利用滑移网格技术模拟浮式平台的运动响应，并将数值模拟结果与水槽模型试验结果进行对比分析，验证了基于CFD方法的风-浪-流全耦合时域分析模型的有效性。邹春玲[27]利用STAR-CCM+数值计算软件，研究了纵荡、纵摇运动对半潜式风力机推力、输出功率变化与尾涡的影响，并对有塔架存在情况下的风力机气动特性进行了分析，然后研究了垂荡板参数对平台六自由度运动的影响，最后对风力机整体结构的运动响应和气动性能进行了全耦合分析。袁李杰等[28]在利用自由涡尾迹（Free Vortex Method，FVM）方法探究了偏航工况下漂浮式风力机的非定常气动特性。
涡格法的基础理论是势流理论，主要用于求解风力机外部流场以及风力机翼型周围流场，当前对风力机气动性能模拟的研究较少。Rockel等[29]]利用粒子图像测速的方法，发现周期性纵摇会增强风力机轮毂高度以上部分尾流湍动水平，同时也增强流场的法向应力，减小主流方向的湍动能通量。Wen等[30]利用自由涡方法，提出了“无量纲纵摇频率”概念，并发现当“无量纲纵摇频率”相同时，即使纵摇的频率、幅值不同，平均输出功率及功率系数仍保持不变。
实验研究方面，Wen等[31]搭建了浮式风力机气动实验台，试验台主要由专用风力发电系统、模型风力涡轮机和6自由度运动控制平台组成，并且提供了偏航流场和平台纵荡振荡的初步实验结果，证明了该试验台能够较好地揭示浮式风力机的非定常气动力特性。王新宝等[32]利用六自由度运动平台对风力机施加纵摇方向的运动，研究了风力机在定常风速下进行不同幅值单自由度纵摇运动时气动性能变化规律。
对于多自由度漂浮运动的研究。陈子文[33]以NREL 5MW风电机组为研究对象，采用CFD方法，运用动网格与滑移网格耦合技术，对漂浮式风电机组在不同振幅、频率的单自由度平台运动（纵荡或纵摇）和二自由度（纵荡-纵摇耦合）平台运动进行非定常气动特性数值模拟，研究了不同平台运动下风电机组的总体性能、截面气动载荷、攻角分布和流动特性，同时研究了不同相位的平台纵荡-纵摇耦合运动对风电机组气动性能的影响。Lee等[34]利用非线性涡格法和涡粒子法，分析了6种周期性单自由度漂浮运动对涡尾迹的影响，并发现在多自由度组合运动影响下，采用单桩式和张力腿式基础比驳船式具有更好的尾流稳定性。Huang等[35]基于自主开发的气动力-水动力全耦合求解器naoe-FOAM-SJTU和致动线(Actuator Line Method，ALM)方法，模拟了规则波作用下，六自由度漂浮运动对两台浮式风力机的影响，受上游风力机尾流影响，下游风力机推力和功率显著下降，且具有较大的相对波动性。
综上所述，诸多针对机组整体动态响应对气动特性的影响开展研究，但主要以纵摇、纵荡和艏摇等预设运动工况为基础进行的气动性能分析，对于复杂运行工况下研究相对较少，且多以数值模拟研究为主，相关研究还不充分。因此，非常有必要进一步研究复杂运行环境下漂浮式风力机动态气动载荷特性变化规律，并开展一些实验研究，为数值模拟及工程应用提供支撑。
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