一种基于OpenFAST-WECSim的风-浪一体化耦合计算方法技术

本申请公开了一种基于OpenFAST

【技术实现步骤摘要】
一种基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法


[0001]本专利技术涉及一种基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，属于海洋能利用领域。

技术介绍

[0002]目前，主流的风
‑
浪一体化分析软件包括美国国家可再生能源实验室(The National Renewable Energy Laboratory，NREL)开发的开源计算软件OpenFAST、挪威船级社(Det Norske Veritas，DNV)开发的Bladed和丹麦技术大学(Technical University of Denmark，DTU)开发的HAWC2等。
[0003]此外，部分海工结构计算软件(如美国Ansys公司旗下AQWA、挪威DNV公司旗下Sesam、英国Orcina公司OrcaFlex)也具备风
‑
浪耦合计算能力，但气动荷载计算精度略逊于上述模型。为此，研发人员提出软件交互及耦合策略，包括NREL开发的OpenFAST+OrcaFlex、DNV开发的Bladed+Sesam、宁波大学(University of Ningbo，NBU)杨阳开发的F2A(FAST+AQWA)。此类耦合软件可充分发挥OpenFAST/Bladed气动荷载计算准确和OrcaFlex/Sesam/AQWA水动及锚泊荷载计算准确的优势，是求解多物理场
‑
多体耦合问题的常见方式。<br/>[0004]软件之间的耦合计算主要通过数据交换实现。多物理场
‑
多体耦合问题主要基于各计算模块间的数据交互实现双向耦合，可归结为以下三种方式：(1)具有一个耦合模块和多个被动接收模块，其中水动模块为被动接收模块，可获取附属附体运动状态。该策略以OpenFAST为代表(见图1)：风机运动状态由ElastDyn(多体动力学模块)传输至AeroDyn(气动模块)计算气动荷载。平台运动状态先由ElastDyn传输至SubDyn(约束模块)，再传输至HydroDyn(水动模块)与MoorDyn(系泊模块)分别计算水动荷载与锚泊荷载。反之，AeroDyn、HydroDyn、MoorDyn将荷载结果最终传输回ElastDyn进行整体动力学耦合计算；(2)具有一个耦合模块和多个被动接收模块，其中水动模块为被动接收模块，但无法获取附属附体运动状态。该策略以OpenFAST
‑
OrcaFlex为代表：ElastDyn向OrcaFlex传递平台位移和速度。OrcaFlex基于平台运动计算水动及锚泊荷载，并传递回ElastDyn实现计算耦合。OrcaFlex仅为被动接收模块，无法获知附属浮体运动状态，该耦合策略不适用于计算FOWT
‑
PAWEC模型；(3)具有多个耦合模块和多个被动接收模块，其中水动模块为耦合模块，可获取附属附体运动状态。该策略以F2A为代表(见图2)：AQWA仅向FAST
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ElastDyn传递平台位移、速度、加速度。FAST端，平台运动由ElastDyn传递至AeroDyn计算气动荷载。气动荷载由AeroDyn依次传递至ElastDyn和AQWA，实现计算闭环。该策略中，AQWA与ElastDyn均为耦合模块。平台与附属浮体间的运动耦合在AQWA中实现，最终归结为平台运动并传递至ElastDyn。
[0005]平台与附属浮体间的运动约束是一体化设计软件的难点。铰接约束形式相对成熟，诸如OpenFAST
‑
SubDyn、Sesam
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Simo、OrcaFlex、AQWA等软件普遍采用FEM方法实现附属浮体与机组之间的摆臂依附方式。但针对相对升沉约束(可简化为仅具有平动自由度的棱形连接，Prismatic Joint)，上述软件普遍无法实现棱柱形接头约束或采用护舷(Fender)代替，模拟结果存在较大争议。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中存在的“软件普遍无法实现棱柱形接头约束或采用护舷(Fender)代替，模拟结果存在较大争议”的问题，本申请提出一种基于OpenFAST
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WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，基于OpenFAST和WEC
‑
Sim自主开发风
‑
浪耦合数值模型，将OpenFAST中的水动计算模块HydroDyn与约束计算模块SubDyn替换为WEC
‑
Sim，以实现平台与附属附体之间的相对升沉约束。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术采取的技术方案是，一种基于OpenFAST
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WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，包括以下步骤：
[0008]1)WEC
‑
Sim将前一时刻平台位移x
WEC
(t
i
‑1)，速度v
WEC
(t
i
‑1)，加速度a
WEC
(t
i
‑1)传递给OpenFAST；
[0009]2)OpenFAST将前一时刻平台加速度被转换为前一时刻机组荷载；
[0010]3)OpenFAST根据前一时刻平台位移x
WEC
(t
i
‑1)，速度v
WEC
(t
i
‑1)及平台荷载进行时间推进，获得当前时刻平台位移和速度；
[0011]4)OpenFAST基于当前时刻平台位移和速度计算气动载荷，并传递给WEC
‑
Sim；
[0012]5)WEC
‑
Sim接收气动载荷并进行耦合计算。
[0013]优化的，上述基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，OpenFAST与WEC
‑
Sim之间的耦合围绕漂浮式风机动力学方程展开，漂浮式风机动力学方程表达为Ma＝F
hydro
+F
aero
+F
moor
；
[0014]其中，M为平台质量、a为平台加速度、F
hydro
为水动荷载、F
aer
o为气动荷载、F
moor
为锚泊荷载。
[0015]优化的，上述基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，在步骤2)中，传输到OpenFAST中平台参考点处的荷载排除气动荷载、平台荷载。
[0016]优化的，上述基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，由WEC
‑
Sim计算的水动及锚泊荷载F
hydro
(t
i
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，其特征在于：包括以下步骤：1)WEC
‑
Sim将前一时刻平台位移x
WEC
(t
i
‑1)，速度v
WEC
(t
i
‑1)，加速度a
WEC
(t
i
‑1)传递给OpenFAST；2)OpenFAST将前一时刻平台加速度被转换为前一时刻平台水动力及锚泊荷载F
hydro
(t
i
‑1)+F
moor
(t
i
‑1)＝Ma
WEC
(t
i
‑1)
‑
F
aero
(t
i
‑1)
‑
Mg；3)OpenFAST根据前一时刻平台位移x
WEC
(t
i
‑1)，速度v
WEC
(t
i
‑1)及平台水动力及锚泊荷载F
hydro
(t
i
‑1)+F
moor
(t
i
‑1)，进行时间推进，获得当前时刻平台位移x
FAST
(t
i
)和速度v
FAST
(t
i
)；4)OpenFAST基于当前时刻平台位移和速度计算气动载荷F
aero
(t
i
)，并传递给WEC
‑
Sim；5)WEC
‑
Sim接收当前时刻气动载荷F
aero
(t
i
)并进行耦合计算。2.根据权利要求1所述的基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，其特征在于：OpenFAST与WEC
‑
Sim之间的耦合围绕漂浮式风机动力学方程展开，漂浮式风机动力学方程表达为Ma
WEC
(t
i
‑1)＝F
hydro
(t
i
‑1)+F
moor
(t
i
‑1)+F
aero
(t
i
‑1)+Mg；其中，M为平台质量、g为重力加速度、a
WEC
(t
i
‑1)为WEC
‑
Sim计算的前一时刻的平台加速度、F
hydro
(t
i
‑1)前一时刻为水动荷载、F
aero
(t
i
‑1)为前一时刻气动荷载、F
moor
(t
i
‑1)为前一时刻锚泊荷载。3.根据权利要求1所述的基于OpenFAST
‑
WECSim的风
‑
浪一体化耦合计算方法，其特征在于：在步骤2)中，传输到OpenFAST中平台参考点处的荷...

【专利技术属性】
技术研发人员：史宏达，王天源，曹飞飞，朱凯，龚昊翔，李德敏，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：