CN106709262A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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Abstract

本发明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。

Description

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
技术领域
本发明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。
背景技术
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。
发明内容
发明目的：本发明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：本发明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：本发明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为本发明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
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明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＝0
v(x,y)|t＝0＝0
其中，u和v分别为沿着x和y方向的水流流速，ζ表示水位，t为模型模拟时间；
外海开边界由东中国海潮波数学模型提供：z|边界＝ζ(t)，其中ζ(t)为水位；
动边界处理时，模型中干水深、淹没水深以及湿水深分别设定为hdry＝0.005m、hflood＝0.05m和hwet＝0.1m。即当某一单元水深大于0.1m，动量通量和质量通量都会在计算中被考虑；当某一单元的水深小于0.1m，在此单元上的水流计算会被相应调整，即不计算动量方程，仅计算连续方程；而当水深小于0.005m的时候，会被冻结从而不参与计算。
第六步、利用构造的潮波数学模型进行计算，图3对比了本实施例中测站2013/8/140：00-2013/8/23 0：00实测和模拟的水位变化过程，图4对比了测站2013/8/16 6：00-2013/8/27 18：00实测的和模拟的流速变化过程，图5对比了同期下实测的和模拟的流向变化过程，发现在验证期间内该模型的水位平均误差为0.08m，且测站位置的小、中、大潮高、低潮位计算误差均小于0.1m；验证期间内该模型的流速平均误差均小于10％，转潮时刻基本同步，误差均满足相关规范的潮流验证要求。若模型计算结果不满足要求，应检查模型边界条件和底摩阻等参数的设置是否合理，是否符合实际情况，对其进行调整。
第七步、针对本次具体实施案例，图6给出了在未布置潮流能水轮机阵列时，周围海域的潮流流速分布情况；根据该模拟结果，可初步选定图7中P1、P2、P3三个潮流能水轮机阵列候选位置。分别比较了图7中P1、P2、P3三个候选点位的流速时间累计分布结果，得到P2点是资源最丰富候选点，该处潮流流速超过0.8m/s的概率很大，最大流速能达到2.0m/s以上；SeaGen”S”机型水轮机切入流速为0.8m/s，额定流速为2.5m/s，获能系数可达0.48，故选取SeaGen“S”系列的潮流能水轮机，并在图6中P2处布置潮流能水轮机阵列。
第八步、结合潮流能水轮机机型SeaGen“S”提供的拖曳力系数，在潮流流速小于0.8m/s和大于2.5m/s时保持为常数，当潮流流速大于0.8m/s并小于2.5m/s时通过拟合得到拖曳力系数和潮流流速的关系，从而给出拖曳力系数修正公式，如下所示：
当流速|U|<0.8时Cd＝0.36；
当流速0.8≤|U|≤2.5时Cd＝0.45×|U|；
当流速2.5<|U|时Cd＝1.125；
其中，Cd为水轮机拖曳力项系数；
将得到的拖曳力系数修正公式带入到已选择的潮流动力数学模型中，替代原有模型中始终为常数的拖曳力项，重新进行数值计算，可以得到考虑了叶片旋转引起的流场变化情况。对比图8和图9，即在静态概化方法和动态概化方法下的模拟结果，使用动态概化方法后，在水道东侧，流速增加海域面积有所增大，从葫芦岛西南岸线一直延伸至葫芦岛西北岸线，且普陀山岛东侧岸线附近也出现流速增加海域。
第九步、根据动态概化的数值模拟结果，利用可视化技术表现潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响，如图8所示；结合SeaGen“S”水轮机的发电功率曲线，计算水轮机阵列各单机的发电功率，得到单机单日平均发电功率分别为551.97kW和558.68kW、发电总量分别为13.25MWh和13.41MWh，计算水轮机阵列全年总发电量为7.70GWh。
本具体实施案例只是本发明涉及的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的一个具体案例，但本发明不应受此案例限制，任何符合本发明权利要求中所涉及的内容和原则，均应在本发明的保护范围内。

Claims (5)

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。
2.根据权利要求1所述的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：步骤（2）对有凸角或凹角的陆地边界进行光滑处理。
3.根据权利要求1所述的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：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。
4.根据权利要求1所述的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：步骤（4）目标海域实测地形由加密测量得到。
5.根据权利要求1所述的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：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。
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