lch
发布于 2026-05-11 / 0 阅读
0

【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

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。


相关图表












(长按二维码可直接阅读全文)


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:   


2000E-mailxujunlong@sjtu.edu.cn



参考文献


1

崔琳, 李蒙, 白旭海洋可再生能源技术现状与发展趋势[J]. 船舶工程, 2021, 4310): 22-33.

CUI L, LI M, BAI XCurrent status and development trends of marine renewable energy technologies[J]. Ship Engineering, 2021, 4310): 22-33(in Chinese)

2

郑洁, 杨淑涵, 柳存根, 海洋可再生能源装备技术发展研究[J]. 中国工程科学, 2023, 253): 22-32.

ZHENG J, YANG S H, LIU C G, et alDevelopment of marine renewable energy equipment and technologies[J]. Strategic Study of CAE, 2023, 253): 22-32(in Chinese)

3

HERONEMUS W. EPollution-free energy from offshore winds[C]//Proceedings of the 8th Annual Conference and Exposition Marine Technology Society. [S.l.: s.n.], 1972.

4

温斌荣, 田新亮, 李占伟, 大型漂浮式风电装备耦合动力学研究: 历史、进展与挑战[J]. 力学进展, 2022, 524): 731-808.

WEN B R, TIAN X L, LI Z W, et alCoupling dynamics of floating wind turbines: history, progress and challenges[J]. Advances in Mechanics, 2022, 524): 731-808(in Chinese)

5

王振春, 黄勇, 王年果, 波浪能转换装置控制技术的发展[J]. 船舶工程, 2024, 461): 1-8.

WANG Z C, HUANG Y, WANG N G, et alDevelopment of control technology of wave energy converters[J]. Ship Engineering, 2024, 461): 1-8(in Chinese)

6

顾煜炯, 谢典, 耿直波浪能发电技术研究进展[J]. 电网与清洁能源, 2016, 325): 83-87.

GU Y J, XIE D, GENG ZProgress of research on wave energy generation technology[J]. Power System and Clean Energy, 2016, 325): 83-87(in Chinese)

7

马勇, 谈秋桐, 牛博, 漂浮式多能联合发电装置研究进展[J]. 中国舰船研究, 2024, 194): 3-20.

MA Y, TAN Q T, NIU B, et alResearch progress of floating multi-energy combined power generation device[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2024, 194): 3-20(in Chinese)

8

刘佳昊, 蒋沛漪风能-波浪能互补发电技术发展综述[J]. 华东科技, 20229): 54-56.

LIU J H, JIANG P YReview on the development of wind-wave complementary power generation technologies[J]. East China Science & Technology, 20229): 54-56(in Chinese)

9

JIN P, ZHENG Z, ZHOU Z M, et alOptimization and evaluation of a semi-submersible wind turbine and oscillating body wave energy converters hybrid system[J]. Energy, 2023, 282: 128889.

10

LUAN C, MICHAILIDES C, GAO Z, et alModeling and analysis of a 5 MW semi-submersible wind turbine combined with three flap-type wave energy converters[C]//Proceedings of the International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering[S.l.]: American Society of Mechanical Engineers, 2014: 45547.

11

MICHAILIDES C, GAO Z, MOAN TExperimental study of the functionality of a semisubmersible wind turbine combined with flap-type wave energy converters[J]. Renewable Energy, 2016, 93: 675-690.

12

WAN L, GAO Z, MOAN T, et alExperimental and numerical comparisons of hydrodynamic responses for a combined wind and wave energy converter concept under operational conditions[J]. Renewable Energy, 2016, 93: 87-100.

13

SHI W, CAO L Y, LI J H, et alNumerical and experimental investigation of the dynamic responses of an integrated semi-submersible floating wind-wave energy converter[J]. Ocean Engineering, 2025, 332: 121427.

14

WEI Z W, CAO F F, CAO C N, et alExperimental study on the effects of an array of concentric wave energy converters on the dynamic of semi-submersible floating wind turbine[J]. Renewable Energy, 2025, 242: 122495.

15

MARTIN H R, KIMBALL R W, VISELLI A M, et alMethodology for wind/wave basin testing of floating offshore wind turbines[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2014, 1362): 020905.

16

WEN B R, TIAN X L, DONG X J, et alDesign approaches of performance-scaled rotor for wave basin model tests of floating wind turbines[J]. Renewable Energy, 2020, 148: 573-584.

17

MARTIN H RDevelopment of a scale model wind turbine for testing of offshore floating wind turbine systems[D]. Maine: The University of Maine, 2011.

18

ZHAO Y S, SHE X H, HE Y P, et alExperimental study on new multi-column tension-leg-type floating wind turbine[J]. China Ocean Engineering, 2018, 322): 123-131.

19

郭嘉宁, 刘明月, 方智超, 新型12 MW半潜式浮式风机运动响应特性试验研究[J]. 船舶力学, 2025, 294): 571-584.

GUO J N, LIU M Y, FANG Z C, et alAn experimental study on the motion response characteristics of a new 12 MW semi-submersible floating wind turbine[J]. Journal of Ship Mechanics, 2025, 294): 571-584(in Chinese)

20

张紫昊, 赵国庆, 盛其虎, 浅水波浪能平台弹性浮筒系泊系统自存研究[J]. 太阳能学报, 2024, 4511): 570-577.

ZHANG Z H, ZHAO G Q, SHENG Q H, et alStudy on self-sustainability of elastic buoy mooring system of shallow water wave energy platform[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2024, 4511): 570-577(in Chinese)

21

CHEN X, TIAN X L, WEN B R, et alDevelopment and performance evaluation of a novel wind generation system for the floating wind turbine model test[J]. Ocean Engineering, 2023, 270: 113384.

22

GUO J N, LIU M Y, FANG Z C, et alAn experimental study on the influence of wind-wave-current coupling effect on the global performance of a 12 MW semi-submersible floating wind turbine[J]. Ocean Engineering, 2024, 304: 117795.

23

JIANG Z H, WEN B R, CHEN G, et alFeasibility studies of a novel spar-type floating wind turbine for moderate water depths: hydrodynamic perspective with model test[J]. Ocean Engineering, 2021, 233: 109070.

24

CHEN J H, DUAN F, HU Z QExperimental investigation of aerodynamic damping effects on a semi-submersible floating offshore wind turbine[C]// Proceedings of the ISOPE International Ocean and Polar Engineering ConferenceCalifornia, USA: ISOPE, 2017: ISOPE-I-17-011.




END





期刊简介



Introduction





《海洋工程》是中国科学技术协会主管,中国海洋学会主办,南京水利科学研究院和上海交通大学承办的综合性中文科技期刊,双月刊,创刊于1983年现已成为我国海洋工程领域具有较大影响力的学术期刊。报道范围涵盖深海工程、近海工程、海上风电工程、河口海岸工程、港口航道工程、海洋能源利用工程、海底矿产资源开发工程、水下工程、潜水救捞技术等。
《海洋工程》立足于自身定位,突出刊物特色,遵循理论与实践相结合的原则,在内容上理论性与实用性兼顾。贯彻科学技术要面向生产,为国民经济建设服务和“百花齐放,百家争鸣”的方针,交流科研成果,开展学术讨论,为提高我国海洋工程的科学技术水平,促进我国海洋资源的开发利用作出积极贡献。



本刊是全国中文核心期刊,中国科技核心期刊,《中国科学引文数据库》(CSCD)核心期刊,CSCIED科技核心期刊,美国《剑桥科学文摘》(CSA)、日本科学技术振兴机构数据库(JST)、科技期刊世界影响力指数(WJCI)等收录期刊,中国科技论文统计源期刊等。


先后荣获中国国际影响力优秀学术期刊、国家级优秀海洋期刊、学术影响力进步期刊、第八届华东地区优秀期刊、江苏期刊明珠奖·优秀期刊(2025)、中国科技期刊卓越行动计划二期集群(集团)化试点项目(A类)集群期刊、中国科协高水平中文期刊培育项目资助等荣誉。



联系方式



Contact




7

地址:江苏省南京市鼓楼区虎踞关34号《海洋工程》编辑部


邮箱:oe@nhri.cn


电话:025-85829332


关注我们


Follow us






期刊公众号

期刊官网

作者QQ交流群