如何在AQWA中建立漂浮式风力机全耦合模型？
一、感恩信任与支持
为期三讲的漂浮式风力机仿真培训于昨日正式结束，因为漂浮式风力机是一种涉及气动-水动-结构-伺服耦合的复杂系统，本人水平有限，对于其中的一些理论（尤其是水动和控制）也有不到位之处，心中也忐忑担忧可能会“翻车”。
（三节课的大概内容）
但在各位朋友的支持、理解和帮助下，有惊无险地完成了这次活动，心中的小石头终于落了下来。在此，真诚地感谢各位参加培训活动的朋友，谢谢您们的信任和支持。在培训过程中，可以充分感受到大家对我的尊重和理解，丝毫没有“客户上帝”的姿态，这让我倍加感动。此外，还借此机会结识了多位优秀的海上风电科研工作者，你们扎实的基础、宽博的学识和谦逊的姿态无一不闪耀着榜样的光辉，照耀我前进的学习路。
（平均每节课有100人左右）
此外，还要特别感谢各位亲朋好友的大力转发和支持，公号首篇文章就获得了3700多次的阅读，关注人数也顺利突破100！让这多人知道了浮草的存在，实在是浮草的幸运！感谢大家！
二、漂浮式风力机耦合分析
风电是目前最成熟的海洋可再生能源利用技术，漂浮式风力机作为未来海上风能主要的发展趋势，已然受到世界各国学术机构和相关企业的广泛关注，如何准确评估其动力性能和载荷水平亦成为漂浮式风电的商业化发展的主要挑战之一。开发相应的数值计算软件，以考虑漂浮式风力机复杂的气动-水动-伺服-弹性耦合特性，是相关研究人员面临的一大难题。
下面给出了几种常见的漂浮式风力机动力响应分析软件 [1]。
Bladed、FAST和HAWC2耦合仿真功能高度集成，基于频域分析软件（如WAMIT、AQWA等）得到的静水刚度、附加质量、辐射阻尼和波浪力等，即可进行漂浮式风力机全耦合仿真。除此三种常见软件之外，通过结合商用软件与开源程序（AeroDyn或FAST），形成气液伺服弹全耦合的仿真框架。颇具代表性的是由挪威科技大学（NTNU）Erin Bachynski教授开发的SIMO/REFLEX/AeroDyn耦合模型，在SESAM中通过动态链接库调用AeroDyn计算风轮气动力并传递回REFLEX，结合SIMO计算浮体水动力，形成气动-水动-伺服-弹性耦合 [2]。
需要注意的是，以上结合商用水动力软件与FAST/AeroDyn的耦合程序均未公开，对于大部分研究人员，并没有使用权限，所以一般选择FAST作为研究工具。对于部分资金充裕的课题组，会购买Bladed作为研究工具。而对于一些特殊的漂浮式风力机概念模型，如TetraSpar、TELWIND等多浮体，当前版本的FAST（OpenFAST v2.4）并不适用。因此，这种功能性需求迫使研究人员开发相应的仿真软件。
三、F2A的诞生
ANSYS集成了结构、流体、电磁和水动仿真功能，其强大而完善的数值计算功能，可以满足绝大多数研究机构的对于计算软件的需求，几乎成为各高校必购软件。ANSYS中的水动力学模块AQWA，是一款功能强大的浮体水动力学计算软件，可以进行多浮体频域及时域分析。通过频域分析求解浮体静水刚度、附加质量、辐射阻尼和波浪力，可进一步在时域中求解结构水动力和运动响应。
虽然AQWA不能计算漂浮式风力机的气动载荷和结构柔性变形，但可以通过动态链接库（user_force64.dll）传递平台运动响应，并计算平台外部载荷和附加质量。此功能与TimeFloat和CHARM3D极为相似。因此，可以基于AQWA计算漂浮式风力机的水动力载荷和系泊恢复力，在user_force64.dll中实现风力机气动-伺服-弹性仿真功能，并将整机将载荷传递回AQWA求解器用于计算平台运动响应，形成漂浮式风力机气动-水动-伺服-弹性耦合，这便是F2A的由来 [3-4]。
（F2A流程图）
F2A，又名FAST2AQWA，其意为连接FAST与AQWA的数据接口，实质为定制版的user_force64.dll。F2A的实现是通过将FAST中的气动-伺服-弹性仿真功能，融于user_force64.dll，供AQWA求解器调用，从而计算作用于平台的等效载荷（考虑风力机气动-伺服-弹性效应），与AQWA中计算的水动载荷和系泊恢复力耦合，求解平台运动响应。基于当前时间步的平台运动响应，再次经user_force64.dll计算平台顶部结构（包括塔架、机舱和叶片）的动力学响应，将平台等效载荷传递回AQWA求解器。如此往复循环，便在AQWA中构建了漂浮式风力机的全耦合模型，即可考虑风轮与塔架的气动弹性响应与平台水动力的耦合作用。
显而易见，F2A融合了FAST考虑风力机气动弹性和AQWA处理浮体运动问题的功能。相比于OpenFAST，使其具备相对更广泛的应用可能，如对于TetraSpar和TELWIND等多浮体概念平台的耦合建模。目前，F2A源代码和基本算例已经公开至GitHub，有需要的朋友可以前往下载：https://github.com/yang7857854/F2A
参考文献：
