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发布于 2026-05-22 / 0 阅读
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【海洋可再生能源专刊】| 计及水弹性变形的超大型风浪联合系统时域耦合分析

论文导读与观点概要


1. 研究目的

超大浮体(VLFS)是开发深远海风能的理想平台,但其大尺度柔性结构易产生水弹性变形,威胁结构安全。虽然铰链式波能装置(HTWEC)被证实可抑制变形,但现有研究多忽略风机的非定常气动载荷。本文旨在建立湍流风-不规则波-水弹性全耦合动力模型,系统研究HTWEC对VLFS水弹性响应的抑制机制,以及风机与波能装置之间的协同效应,为多能集成系统的优化设计提供理论支撑。

2. 研究方法

本文采用数值模拟参数化分析相结合的方法:

模型构建:基于OrcaFlex软件,利用多体动力学与有限元耦合方法,建立了包含VLFS、HTWEC、系泊系统及NREL 5 MW风机的超大型风浪联合系统时域全耦合模型。
验证过程:通过与Yago和Endo的试验数据及Fu等的数值结果对比,验证了水弹性模型及HTWEC模块的准确性。
工况设置:在3种典型运行海况(LC1-LC3)及1种极端生存海况(LC4)下进行时域模拟。重点分析了不同HTWEC阻尼系数对系统响应的影响,并筛选出最优阻尼参数。

3. 主要结果

⚙️ 阻尼优化与抑制机制

最优阻尼:当阻尼系数为 30 MN·m·s/(°) 时,HTWEC不仅发电功率最优,且对VLFS水弹性抑制效果最佳。
能量耗散:HTWEC与波浪激励力矩保持约180°的相位差,通过阻尼耗散机制有效阻断了波浪能量向背浪端的传递。

📉 结构响应与安全性

VLFS变形:HTWEC显著降低了VLFS后部的垂向位移标准差及整体横断面弯矩。在LC2工况下,VLFS中间位置弯矩标准差降低约50%
风机载荷:HTWEC的应用使风机塔基弯矩最大值降低约24%~32%,机舱加速度也得到有效抑制,提升了设备运行安全性。
生存工况:在极端海况下,HTWEC虽未完全消除弯矩,但显著降低了VLFS迎浪端(最危险位置)的弯矩峰值,对结构起到保护作用。

⚡ 综合获能效率

协同效应:风机与HTWEC实现了良好的能量互补。HTWEC的存在对风机发电功率影响微乎其微(<1%),而波浪能捕获效率随波高增加而提升,在LC3工况下单日发电量可达127.33 kW·h

4. 结论

有效性:在VLFS迎浪端安装HTWEC是抑制水弹性响应的有效手段,能显著降低结构弯矩和变形。
协同性:HTWEC与风机形成了良好的“风-浪”能协同捕获系统,既保证了风机的高效运行,又额外获取了波浪能。
安全性:HTWEC不仅能保护VLFS结构安全,还能间接降低风机塔基载荷,延长设备使用寿命。
设计指导:以最优发电功率为依据选取HTWEC阻尼系数,在工程上是合理且可行的。


💡 推广语

这篇文章打破了单一能源开发的局限,通过高精度全耦合仿真证明:在超大浮体上“风-浪”能共存不仅可行,更能实现结构安全与能量产出的双赢。研究发现,铰链式波能装置就像给巨大的海上平台装上了“减震器”,在发电的同时还能保护风机塔架。对于致力于深远海综合能源岛开发的行业而言,这是一份极具价值的前沿技术验证报告。


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本文引用格式:罗扬好, 李良. 计及水弹性变形的超大型风浪联合系统时域耦合分析[J]. 海洋工程, 2026, 44(2): 218-232.  (LUO Yanghao, LI Liang. Coupled time-domain analysis of large-scale hybrid wind-wave system considering hydroelastic deformation[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(2): 218-232.  (in Chinese))


通信作者简介:李良   


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李良,中国海洋大学工程学院教授,英才教授(第一层次),曾于2016年至2019年在斯特拉斯克莱德大学进行学习研究。主要专注于海洋工程技术与海洋可再生能源利用及实用化技术开发、多功能海洋浮式平台耦合性能与自动运维研究、海上浮式风电场单点系泊研究等前沿方向。首届国家优秀青年科学基金项目(海外)获得者,并入选全国高校黄大年式教师团队,中国工程院工程前沿杰出青年学者。英国皇家造船工程师协会会员;英国高等教育中级认证证书;《China Ocean Engineering》青年编委;《海洋工程》青年编委。


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《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。



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