基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法，根据水轮机在不同水流流速下运转状态不同的特点，拖曳力系数在水流流速大于切入流速、小于切出流速时，通过拟合水轮机机型提供的拖曳力离散值得到相应值，弥补了传统潮流动力模型中拖曳力系数保持为常数的明显不足，不仅考虑了水轮机发电装置形状阻力的影响，而且考虑了水轮机运行发电时提取能量产生的拖曳力（能量损耗）对流场的影响，从而更加准确地评估潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响，为潮流能的合理开发和利用具有重要意义。

Numerical simulation method for hydrodynamic influence of tidal flow turbine array based on dynamic generalization

The invention provides a method of numerical simulation of turbine hydrodynamic impact array based on dynamic generalization trend, according to the characteristics of turbine state at different flow velocity, the drag coefficient in the flow velocity is greater than the starting velocity, less than cutting velocity, by fitting the turbines for the drag force is discrete to make up the corresponding value of the drag coefficient to maintain constant lack of traditional hydrodynamic model, not only considers the influence of turbine generator form resistance, but also consider the operation of turbine generator when extracting drag force produced by the energy (energy loss) effect on the flow field, and thus more accurate assessment of tidal water the dynamic effect of turbine array on the surrounding waters, is of great significance for the rational development and utilization of tidal energy.

【技术实现步骤摘要】
基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法
本专利技术涉及海洋能开发和利用领域，具体涉及一种潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法。
技术介绍
海洋能与常规化石能源不同，其能够利用海洋提取能量，产生电能而不产生废气和废热，不污染生态环境。其中，潮流能因为预报准确性较高、连续供能好、蕴藏量和能流密度大等优势，越来越引起重视，其分布范围广，已经成为海洋能开发和利用的重要组成部分。合理的开发潮流能是解决沿海地区资源短缺的重要手段，对促进我国经济可持续发展具有重要意义。为获得经济效益，实际应用中，潮流能水轮机往往成阵列布置，而布置过程中会考虑海域水深地形条件；水轮机阵列的布置也会对海域的水深地形条件产生不同影响，从而影响潮流能开发效益。因此，为了更好保护海域环境、提高开发效益，正确的评估潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响对于潮流能的开发和利用具有重大的意义，水动力环境的改变会影响周围海域的泥沙输运、生态环境和海洋功能等。然而，目前对于流场中水轮机阵列的水动力影响主要是通过静态概化数值模拟的方法实现的，在数值模型中使用的拖曳力项保持为常数，即将水轮机阵列近似为静止的桩柱来考虑其对流场的拖曳力。而在实际情况中，当水轮机在潮流驱动下运作发电时，由于叶片转动提取潮流能会对流场产生额外的拖曳力(能量损耗)，即拖曳力项会随水轮机所在位置的潮流流速发生变化，可见静态概化数值模拟水轮机阵列的水动力影响忽略了水轮机运作发电所产生的拖曳力。因此，这种静态的水轮机概化模拟方法是一种不精确的近似方法，不符合水轮机阵列对周围流场影响的实际情况。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法，利用潮流动力模型，基于动态概化，即引入随潮流流速变化的拖曳力修正公式，模拟潮流能水轮机阵列布置后的周围海域的流速、流向分布，从而正确认识潮流能水轮机阵列的水动力影响，为潮流能合理开发和利用奠定基础。技术方案：本专利技术提供了一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法,包括以下步骤：(1)选择要计划布置潮流能水轮机阵列的海域，并获取对应海域的海图资料；(2)根据海图资料确定目标海域的陆地边界；(3)利用非结构网格对目标海域计算区域进行空间离散，对于可布置潮流能水轮机阵列的地方加密网格，选择对潮位及潮流进行模拟计算的潮流动力数学模型；(4)将海图资料和目标海域实测地形获得的水深地形数据离散点进行插值，得到网格节点密集的地形数据用于模型计算；(5)根据步骤(3)得到的非结构网格，构造潮流动力模型需要的初始条件、开边界和动边界：初始条件给定初始时刻的水位及流速，开边界由中国近海潮波数学模型提供水位变化条件，动边界考虑因涨落潮引起的边滩干湿交替，采用干湿法控制动边界处理；(6)利用构造的潮流动力数学模型进行计算，得到目标海域的潮流流速和流向的变化过程，与实测资料进行比对、验证；若模拟结果和实测资料的误差不满足要求，调整边界条件和底摩阻参数；(7)根据水深、流速条件，选择潮流能水轮机机型；根据步骤(6)数值模拟结果，分析目标海域内潮流流速时间累计分布，在潮流能蕴藏量丰富且水深、地形合适布置水轮机的地方设置潮流能水轮机阵列；(8)确定水轮机阵列布置位置后，在潮流动力模型中引入和潮流流速及水轮机机型相关联的随时间变化的拖曳力系数修正公式，在此基础上进行数值计算：根据水轮机在水流流速小于切入流速时保持静止和水流流速大于切出流速时转速保持恒定的特点，拖曳力系数在水流流速小于切入流速时或大于切出流速时应保持为常数，该常数的确定根据采用的水轮机机型的拖曳力离散值确定；拖曳力函数在水流流速大于切入流速、小于切出流速时，根据所采用的水轮机机型提供的拖曳力离散值使用最小二乘法或其他合适数值分析方法拟合得到；在数值计算的每一个时间步内，根据初始流场流速确定拖曳力项，再将拖曳力项带回模型中，逐步迭代求解该时间步的流速场等变量；(9)通过可视化技术将潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响(包括流速、流向变化等)直观表示出来；并根据水轮机机组的发电功率曲线计算发电量。进一步，步骤(2)对有凸角或凹角的陆地边界进行光滑处理。进一步，步骤(3)所述潮流动力数学模型为二维或三维的浅水方程，并采用布辛涅斯克假设和静水压力假设。进一步，步骤(4)目标海域实测地形由加密测量得到。进一步，步骤(9)计算发电量根据水轮机得到发电功率曲线，通过加载动态概化的潮流动力数学模型，提取水轮机阵列所在位置的流速过程线，从而计算发电量。有益效果：本专利技术基于动态概化对潮流能水轮机阵列水动力影响进行数值模拟，根据水轮机在不同水流流速下运转状态不同的特点，拖曳力系数在水流流速大于切入流速、小于切出流速时，通过拟合水轮机机型提供的拖曳力离散值得到相应值，弥补了传统潮流动力模型中拖曳力系数保持为常数的明显不足，不仅考虑了水轮机发电装置形状阻力的影响，而且考虑了水轮机运行发电时提取能量产生的拖曳力(能量损耗)对流场的影响，从而更加准确地评估潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响，为潮流能的合理开发和利用具有重要意义。附图说明图1为本专利技术涉及的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法的总体流程示意图；图2为实施例的模型非结构网格离散情况；图3为实施例的模型结果水位验证情况；图4为实施例的模型结果流速验证情况；图5为实施例的模型结果流向验证情况；图6为实施例的未放置水轮机的潮流动力数学模型模拟结果；图7为实施例的潮流能水轮机阵列布置候选位置图；图8为实施例的静态概化潮流能水轮机阵列水动力影响计算结果图；图9为实施例的动态概化潮流能水轮机阵列水动力影响计算结果图。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。实施例：一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值方法，如图1所示，具体步骤如下：第一步、选择要计划布置潮流能水轮机阵列的海域，并获取对应海域的海图资料，本实施例选择舟山市普陀山岛与葫芦岛之间海域，该海域潮流能资源较为丰富适合布置潮流能水轮机阵列；海图资料选取为中华人民共和国海事局2013年5月第1版的海图，其比尺为1：35000。第二步、根据海图资料，确定本实施例目标海域的陆地边界，对变化剧烈的陆地边界进行适当的光滑处理，有变化明显的凸角或凹角减少其变化幅度，以减少模型在计算这些凹、凸角的消耗，增加收敛性，提高模型计算精度。第三步、利用非结构网格对目标海域计算区域进行空间离散，使得模型中的陆地岸线保持相对平滑，从最大程度上减少锯齿岸线对计算结果的不利影响。如图2所示，利用非结构网格对模拟海域进行了离散，且网格在普陀山岛和葫芦岛之间的海域进行加密处理，使模型在这里能更精确地描述流场变化情况。潮流动力数学模型选择基于平面二维不可压缩雷诺平均纳维埃-斯托克斯浅水方程，并引入布辛涅斯克假设和静水压力假设。第四步、对海域的地形进行加密测量，将加密测量的地形与海图地形相结合获得的水深地形数据插值得到网格节点的地形数据用于模型计算。第五步、根据第三步得到的非结构网格，构造潮流动力模型需要的初始条件、开边界和动边界，本实施例中初始条件为：ζ(x,y)|t＝0＝ζ0(x,y)u(x,y)|t＝0本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）选择要计划布置潮流能水轮机阵列的海域，并获取对应海域的海图资料；（2）根据海图资料确定目标海域的陆地边界；（3）利用非结构网格对目标海域计算区域进行空间离散，对于可布置潮流能水轮机阵列的地方加密网格，选择对潮位及潮流进行模拟计算的潮流动力数学模型；（4）将海图资料和目标海域实测地形获得的水深地形数据离散点进行插值，得到网格节点密集的地形数据用于模型计算；（5）根据步骤（3）得到的非结构网格，构造潮流动力模型需要的初始条件、开边界和动边界：初始条件给定初始时刻的水位及流速，开边界由中国近海潮波数学模型提供水位变化条件，动边界考虑因涨落潮引起的边滩干湿交替，采用干湿法控制动边界处理；（6）利用构造的潮流动力数学模型进行计算，得到目标海域的潮流流速和流向的变化过程，与实测资料进行比对、验证；若模拟结果和实测资料的误差不满足要求，调整边界条件和底摩阻参数；（7）根据水深、流速条件，选择潮流能水轮机机型；根据步骤（6）数值模拟结果，分析目标海域内潮流流速时间累计分布，在潮流能蕴藏量丰富且水深、地形合适布置水轮机的地方设置潮流能水轮机阵列；（8）确定水轮机阵列布置位置后，在潮流动力模型中引入和潮流流速及水轮机机型相关联的随时间变化的拖曳力系数修正公式，在此基础上进行数值计算：根据水轮机在水流流速小于切入流速时保持静止和水流流速大于切出流速时转速保持恒定的特点，拖曳力系数在水流流速小于切入流速时或大于切出流速时应保持为常数，该常数的确定根据采用的水轮机机型的拖曳力离散值确定；拖曳力函数在水流流速大于切入流速、小于切出流速时，根据所采用的水轮机机型提供的拖曳力离散值使用最小二乘法拟合得到；在数值计算的每一个时间步内，根据初始流场流速确定拖曳力项，再将拖曳力项带回模型中，逐步迭代求解该时间步的流速场等变量；（9）通过可视化技术将潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响直观表示出来；并根据水轮机机组的发电功率曲线计算发电量。...

【技术特征摘要】
1.一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）选择要计划布置潮流能水轮机阵列的海域，并获取对应海域的海图资料；（2）根据海图资料确定目标海域的陆地边界；（3）利用非结构网格对目标海域计算区域进行空间离散，对于可布置潮流能水轮机阵列的地方加密网格，选择对潮位及潮流进行模拟计算的潮流动力数学模型；（4）将海图资料和目标海域实测地形获得的水深地形数据离散点进行插值，得到网格节点密集的地形数据用于模型计算；（5）根据步骤（3）得到的非结构网格，构造潮流动力模型需要的初始条件、开边界和动边界：初始条件给定初始时刻的水位及流速，开边界由中国近海潮波数学模型提供水位变化条件，动边界考虑因涨落潮引起的边滩干湿交替，采用干湿法控制动边界处理；（6）利用构造的潮流动力数学模型进行计算，得到目标海域的潮流流速和流向的变化过程，与实测资料进行比对、验证；若模拟结果和实测资料的误差不满足要求，调整边界条件和底摩阻参数；（7）根据水深、流速条件，选择潮流能水轮机机型；根据步骤（6）数值模拟结果，分析目标海域内潮流流速时间累计分布，在潮流能蕴藏量丰富且水深、地形合适布置水轮机的地方设置潮流能水轮机阵列；（8）确定水轮机阵列布置位置后，在潮流动力模型中引入和潮流流速及水轮机机型相关联的随时间变化的拖曳力系数修正公式，在此基础上进行数值计算：根据水轮机在水流流速小于切...

【专利技术属性】
技术研发人员：张继生，高鹏，林祥峰，郑金海，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32