这份文章主要是一篇关于海上和陆上浮动风力涡轮机在极端条件下气动弹性失稳分析的科学研究。以下是针对中国专业学术领域的综述报告：
由于风力涡轮机叶片长度的不断增加，当叶片长度超过110米后，其柔性显著增强，容易导致显著的气动弹性响应，包括气动弹性失稳（aeroelastic instability）。气动弹性失稳是一种常见的动力学现象，其本质是流体力与结构变形之间的正反馈，主要表现为自激振动，并与气动力、动态波浪力及弹性力耦合作用。针对大功率风力涡轮机的停车及安装状态，尤其是10MW以上的机组，气动弹性失稳现象已经被观察到，这对风力发电系统的安全性和可靠性提出了新的挑战。
尽管已有的研究主要集中于基于数值模拟方法对风力机气动弹性失稳机理的探讨，然而，这些研究往往忽略了波浪力的影响。此外，传统研究方法在面向浮动式海上风力涡轮机（FOWT，Floating Offshore Wind Turbine）的气动弹性失稳预测上存在一定的不足。尤其对于动态失速效应的分析较为不足，这意味着基于动态波浪力影响的气动弹性分析亟需得到改进。
为了解决上述问题，本研究旨在提出一种改进的数值模型，用于分析浮动海上风电机组中气动弹性失稳的边界条件。
研究中，作者提出了一种改进的开源OpenFAST软件框架，命名为LW-OF（Linearization Wave OpenFAST），用于通过特征值方法分析浮动式风力涡轮机的阻尼比，并在波浪载荷下捕捉风力机系统的气动弹性模态。相比传统的OpenFAST，此改进吸纳了动态波浪负载的线性化参数，旨在从全系统线性化的角度综合分析波浪力、气动力以及结构动态响应的影响。
这一过程基于模块化的多体动力学框架，采用Kane方程和模态叠加方法，对风力涡轮机的刚体和柔性部件建立了详细的16自由度动力学模型。同时引入基于状态空间的动态失速模型，以准确评估非静水条件下涡轮机的气动弹性稳定性。
为了充分考虑波浪力的动态影响，研究在LW-OF模型中，将操作点的波高从固定值引入到每一线性化时间步的波高计算中。这种改进，不仅提升了模拟波浪力作用过程中的场景还原度，还在特征值分析中更为精确地捕获了气动失稳的边界条件。此外，采用全系统线性化方法，联合求解空气动力学力、波浪诱导力和结构运动之间的耦合作用问题。
浮动式风电装备选择了半潜式平台（OO-STAR），配备了DTU 10MW的参考风力涡轮机，叶片长度为90米，塔高为120米。模拟环境包括风速设置为30-50 m/s的均匀风场，波高为10米，波浪周期为13秒。通过调整多个参数（如叶片偏航角、叶片方位角、风速等），分析风力机整体负载和叶片失稳响应。
基于阻尼比计算的结果表明： 1. 波浪负载对叶片停车条件下失稳边界的影响：浮动式风力涡轮机的失稳边界出现在更低的叶片偏航角范围内，表明浮动运动大幅削弱了风力机的抗扰动能力。相比陆上风力涡轮机，浮动式风力涡轮机更容易出现气动失稳。 2. 不同模式的失稳特性： - 叶片首阶边缘对称模式（1st Edge Symmetric Mode）：在浮动式风力涡轮机中，该模式失稳的偏航角范围显著低于陆上风机，说明浮动特性对该模式的稳定性削弱作用更为明显。 - 叶片首阶边缘非对称模式-偏航模式（1st Edge Asymmetric Yaw Mode）：该模式下，失稳区间偏向更高的叶片偏航角。 - 叶片首阶边缘非对称模式-倾斜模式（1st Edge Asymmetric Tilt Mode）：本研究中，该模式始终表现为稳定，未出现负阻尼比的现象。
通过分析叶尖运动的极限环（Limit Circle）和频谱密度，得出以下结论： - 极限环分析：在气动弹性失稳情况下，浮动平台的叶尖运动轨迹存在显著的不规则性，表现为多个运动模态的频率叠加效果；而相较之下，陆上风机轨迹较为规则，以单一模态为主导。 - 频谱特征：在浮动式风力涡轮机中，叶尖响应主要包含波浪频率（约0.07Hz）和失稳模态频率（约0.9Hz）。这种多频率共存现象影响了叶片整体的运动稳定性，而陆上风机则以叶片模态为主。
局部角范围内的两个模态（首阶边缘对称模式和首阶边缘非对称倾斜模式）失稳区域重叠，导致叶片振幅显著增大。这种累积效应使得叶片容易受到更大的振动破坏风险，建议停车时应尽量保持零方位角。
本研究通过改进的LW-OF数值模拟方法，深入解析了波浪负载、风速、叶片偏航角和叶片方位角对浮动海上和陆上风力涡轮机气动弹性失稳的影响。关键结论如下： 1. 波浪负载显著降低了浮动式风机的气动弹性失稳边界，使其更容易发生失稳； 2. 浮动特性增加了叶片运动的非规则性和振幅风险，表现为更高的破坏可能性； 3. 多模态叠加效应对失稳响应的贡献不可忽略，停车时应合理优化风机偏航和方位角。
本研究为浮动海上风力涡轮机在极端条件下的设计与运行提供了重要参考，同时明确了浮动特性对风机安全性的不利影响。未来的研究可以进一步聚焦于多模态叠加效应机制及更复杂的风波流耦合作用分析。