CN114814276A - 海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法 - Google Patents

海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法，该方法利用背景海洋垂向密度差、海上风机尾迹特征、海上风电场空间尺度和所处纬度等要素计算其下风处海水垂向运动流速。本发明所需参数精简，可高效快速地估算海上风电场在不同情境下导致的海水垂向流速，并且计算所需全部参数均可在海上风电场正式建设前得到。因此，本发明一方面可对海上风电场的规划设计提供支撑；另一方面基于其结果可更有针对性地制定大规模计算机模拟方案，从而大大提高计算效率。

Description

海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法
技术领域
本发明涉及海洋工程领域和海洋生态领域，尤其涉及一种用来评估海上风电设备运行导致周边人工海洋上升流和下降流系统的计算方法。
背景技术
海洋上升流是一种海洋学现象，指海水由深层向表层的垂直流动，其可将富含营养的深层海水提升至接近表层的真光层，为表层浮游植物的生长提供充足的养分，从而提升海洋的初级生产力，改善海洋生态环境，在生物繁殖周期内增加海洋碳汇。海洋下降流是上升流的相反过程，可将上层海洋中的各类微生物生长繁殖所固定的碳元素下沉至深层海洋，实现碳封存，在相对生物繁殖时段更长的时间尺度下增加海洋固碳能力。
为了改善近海海洋环境、深挖渔业资源潜力、应对气候变化和实现经济“双碳”目标，学界和产业界对人工营造上升流和下降流系统给予了广泛关注。通过在海洋中放置各种人工系统，以期实现海水的垂向运动。主要的人工系统种类包括：人造山式、机械泵式、波浪泵式、气动泵式和盐度泉式等。不论基于何种理论，在海洋工程设计施工之前，必须首先对可能引起的海水垂向运动流速进行估算，在此基础上才可建立工程对环境影响的评价体系，给出有针对性的各项工程设计指标。另一方面，海水垂向运动计算方法也是估算海洋工程固碳能力的基础，一套效率高、适用性广的计算方法可以广泛应用于“碳交易”市场，在精算和定价过程中发挥作用。
海上风电是一种非常典型的绿色能源形式，我国海上风电新增装机容量已经连续多年位居世界第一。风机运行之后，可能对环境产生多种影响，对海上风电的减碳能力不能仅仅基于发电量核算，而应该综合考虑多种碳足迹。海上风电投产后可在周边海域促生人工上升和下降流系统，基于其流速的估算结果，可对风电场布局进行优化，评估海上风电场整体减排固碳能力，为整个产业体系进入碳交易市场提供定价基础。
海上风电场通过扰动海面风场，进而在下风处产生海水垂向流动是海上风电场周边人工上升和下降流系统的重要驱动机制。因为海上风机的存在会对海面风场起到阻挡作用，在风机下风处会出现明显的风速减小现象，该现象称为风机在海面风场中的尾迹。根据观测资料，尾迹的空间尺度可达上百公里（如图1所示）。在该特征尺度下，风场尾迹导致的动力效应符合地球流体力学的研究范畴。尾迹内存在风速减小，而周边风速不变，即海面出现了风场旋度。根据地球流体力学中经典的艾克曼理论，其下方的海水应该出现垂向运动。该理论的示意图见图2。通过这种机制形成的海水垂向运动流速可达每天数米，其对海洋生态和初级生产力的影响已经被相关观测证实。
已有的估算该人工上升/下降流流速的方法包括现场测量法和计算机数值模拟法，但是测量法只能在工程投产后进行，无法提前对工程环境碳通量影响潜力进行估算并优化工程设计；计算机数值模拟法较为繁琐，并且因计算能力的限制无法再现大范围海区的情况，模拟方案的确定依赖预先给定关键海区和海水垂向流速量值。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法。该方法可高效快速地估算海上风电场在不同情境下导致的海水垂向流速，根据此流速大小可确定下一步是否有必要建立高空间分辨率数值模式，从而评估工程在此方面的环境影响。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法，包括以下步骤：
获取目标位置的上层海洋厚度
Figure 478128DEST_PATH_IMAGE001
、海面风应力
Figure 916062DEST_PATH_IMAGE002
，使用以下公式描述两者的动力响应：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 743204DEST_PATH_IMAGE004
为初始厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为平均海水密度，
Figure 12511DEST_PATH_IMAGE006
为科氏参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为约化重力加速度，
Figure 860381DEST_PATH_IMAGE007
为表层和下层海水密度差；
引入无量纲参数
Figure 706984DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 665712DEST_PATH_IMAGE010
后，可得到所述动力响应的无量纲形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 523947DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为水平空间长度，
Figure 214822DEST_PATH_IMAGE014
为风机尾迹内风应力衰减幅度，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为该地点斜压罗斯贝变形半径
Figure 361770DEST_PATH_IMAGE016
除以海上风电场的水平空间尺度
Figure DEST_PATH_IMAGE017
；
使用函数
Figure 186507DEST_PATH_IMAGE018
表示关键参数
Figure DEST_PATH_IMAGE019
和上层海水厚度变化之间
Figure 102510DEST_PATH_IMAGE020
的关系；
将无量纲数
Figure 236992DEST_PATH_IMAGE020
转换回有量纲形式，得到海上风电风机下风处产生的海水垂向流速最大值：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
函数
Figure 667973DEST_PATH_IMAGE018
的形式使用以下拟合曲线表示：
Figure 234084DEST_PATH_IMAGE022
。
实施本发明实施例，具有如下有益效果：本发明利用背景海洋垂向密度差、海上风机尾迹特征、海上风电场空间尺度和所处纬度等要素计算其下风处海水垂向运动流速的方法，本发明所需参数精简，可高效快速地估算海上风电场在不同情境下导致的海水垂向流速。并且计算所需全部参数均可在海上风电场正式建设前得到，因此，本发明一方面可对海上风电场的规划设计提供支撑；另一方面基于其结果可更有针对性地制定大规模计算机模拟方案，从而大大提高计算效率。
附图说明
图1是卫星图片中海上风机的尾迹。图中左下角白点为运行中的海上风力机组，其后明暗相间的条纹为因风机存在导致大气动力场出现扰动，从而产生的海面风速减小现象；
图2是因海面风速出现空间变化所导致的海水垂向运动特征示意图；
图3是上层海水厚度变化（
Figure 270173DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
）和
Figure 302851DEST_PATH_IMAGE024
之间的关系；
图4是计算机模拟得到的海上风机下风处海洋垂向流速（等值线单位：米/天）。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明实施例的海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法通过以下步骤进行实施。
当假设海洋上层厚度可随时间变化（初始厚度
Figure 424391DEST_PATH_IMAGE004
，密度
Figure 590930DEST_PATH_IMAGE005
），而下层海水静止不动（密度
Figure DEST_PATH_IMAGE025
），则在考虑静力近似和忽略非线性项时，描述流体运动状态的Navier-Stokes方程和连续性方程和综合表示为：
Figure 215946DEST_PATH_IMAGE026
该方程用以描述所获得的上层海洋厚度（
Figure 934372DEST_PATH_IMAGE001
）对海面风应力（
Figure 543208DEST_PATH_IMAGE002
）的动力响应，其中
Figure 451121DEST_PATH_IMAGE006
为科氏参数，
Figure 461803DEST_PATH_IMAGE007
为约化重力加速度。
针对以上方程，本发明进一步进行了两个动力近似：1.忽略掉时间尺度小于惯性时间尺度（
Figure 226496DEST_PATH_IMAGE006
）的运动，如内重力波、地转调整过程，这些运动的时间尺度远小于关注的现象，因此可忽略；2.假定风场不随时间变化。因为关注的海水垂向运动时间尺度为天，在此尺度下可认为平均风场是稳定的。在这两个近似下，上述方程左边时间二次导数项和右边最后一项可以省略。同时引入无量纲参数
Figure 57049DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 440757DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 305945DEST_PATH_IMAGE027
，其中
Figure 179223DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 559389DEST_PATH_IMAGE013
为水平空间长度，
Figure 809104DEST_PATH_IMAGE014
为风机尾迹内风应力衰减幅度。最终可得方程1的无量纲形式（为了简便起见，以下方程中省略无量纲系数右上方的撇号）：
Figure 528799DEST_PATH_IMAGE028
其中
Figure 759929DEST_PATH_IMAGE029
为该地点斜压罗斯贝变形半径（
Figure 830653DEST_PATH_IMAGE016
）除以海上风电场的水平空间尺度（
Figure 618480DEST_PATH_IMAGE017
）。该方程表示上层海洋厚度随时间呈现线性变化趋势。
在风机尾迹存在2维结构时，方程2无法得到解析解，但可以通过数值解的方法得到关键参数
Figure 254998DEST_PATH_IMAGE019
和上层海水厚度变化之间（
Figure 735658DEST_PATH_IMAGE020
）的关系。本发明用函数
Figure 762520DEST_PATH_IMAGE030
表示二者之间的对应关系，该函数形式可用以下拟合曲线表示，如图3所示：
Figure 291721DEST_PATH_IMAGE022
最终，将无量纲数
Figure 986008DEST_PATH_IMAGE020
转换回有量纲形式，可得在海上风电风机下风处产生的海水垂向流速最大值为：
Figure 371990DEST_PATH_IMAGE031
根据方程3，当已知风机尾迹内风场衰减幅度（
Figure 214044DEST_PATH_IMAGE014
，这一参数随风机型号不同而改变，实际计算中应根据海上风电场计划选用的风机而选择合适的取值）、海上风电场所处位置（
Figure 343674DEST_PATH_IMAGE006
）、海上风电场空间大小（
Figure 892467DEST_PATH_IMAGE017
）和初始海洋垂向密度差情况（
Figure 901880DEST_PATH_IMAGE032
，需要在工程勘察设计阶段现场测量），即可估算出海上风电投产后可能导致的海水垂向运动流速。
该计算结果的准确性已通过了计算机数值模拟检验，当给定
Figure 903334DEST_PATH_IMAGE033
,
Figure 102234DEST_PATH_IMAGE034
,
Figure 302272DEST_PATH_IMAGE035
，
Figure 295635DEST_PATH_IMAGE036
，
Figure 49965DEST_PATH_IMAGE037
时，可计算得到最大流速为1.7米/天，这与采用高空间分辨率的计算机模拟结果非常接近，如图4所示。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (2)

1.一种海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取目标位置的上层海洋厚度
Figure 391598DEST_PATH_IMAGE001
、海面风应力
Figure 43159DEST_PATH_IMAGE002
，使用以下公式描述两者的动力响应：
Figure 619634DEST_PATH_IMAGE003
其中，
Figure 14843DEST_PATH_IMAGE004
为初始厚度，
Figure 563636DEST_PATH_IMAGE005
为平均海水密度，
Figure 386099DEST_PATH_IMAGE006
为科氏参数，
Figure 325236DEST_PATH_IMAGE007
为约化重力加速度，
Figure 258557DEST_PATH_IMAGE007
为表层和下层海水密度差；
引入无量纲参数
Figure 724173DEST_PATH_IMAGE008
，
Figure 717537DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 206287DEST_PATH_IMAGE010
后，得到所述动力响应的无量纲形式：
Figure 943299DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure 388056DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 552321DEST_PATH_IMAGE013
为水平空间长度，
Figure 793946DEST_PATH_IMAGE014
为风机尾迹内风应力衰减幅度，
Figure 865808DEST_PATH_IMAGE015
为该地点斜压罗斯贝变形半径
Figure 509278DEST_PATH_IMAGE016
除以海上风电场的水平空间尺度
Figure 578866DEST_PATH_IMAGE017
；
使用函数
Figure 979891DEST_PATH_IMAGE018
表示关键参数
Figure 58706DEST_PATH_IMAGE019
和上层海水厚度变化之间
Figure 291104DEST_PATH_IMAGE020
的关系；
将无量纲数
Figure 859488DEST_PATH_IMAGE020
转换回有量纲形式，得到海上风电风机下风处产生的海水垂向流速最大值：
Figure 810127DEST_PATH_IMAGE021
。
2.根据权利要求1所述的海上风电设备运行导致周边海水垂向运动流速的计算方法，其特征在于，
函数
Figure 427053DEST_PATH_IMAGE018
的形式使用以下拟合曲线表示：
Figure 779537DEST_PATH_IMAGE022
。
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