CN114997076B - 一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法及装置，所述方法包括：确定漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的各载荷，基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合各载荷，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行确定漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的各载荷的步骤，直到达到预设时间步为止。由此可见，通过分析漂浮式风力机的当前时间步下的各载荷，并将各载荷耦合分析，从而得到下一时间步的运动信息及位置，避免了对漂浮式风力机的几何模型构建庞大的网格节点，进行复杂的流场变化分析，提高了对漂浮式风力机流体动力学耦合分析的效率。
Description
技术领域
本申请涉及流体动力学仿真模拟技术领域，更具体的说，是涉及一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法及装置。
背景技术
海上风能相对于陆地风能，风速更高、风能稳定性更好，开发海上风能可以有效的缓解我国沿海城市的用电压力。随着海上风电朝着深远海域发展，海上漂浮式风力机成为解决深远海风能利用的主要发电设备。
由于海上漂浮式风力机受到风、浪、流联合作用，且风的强非线性变化导致海上漂浮式风力机的空气动力学载荷存在较大的非线性变化，在控制漂浮式风力机的运动时，需要进行时域范围下的流体动力学耦合分析，才能保证运动控制的合理性和安全性。目前，针对海上漂浮式风力机的流体动力学时域耦合分析方法，通常采用黏性计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法，该方法计算精度高。
然而，传统CFD方法在进行仿真计算时，需要围绕漂浮式风力机几何模型构建数量庞大的网格节点，且对每个网格节点需要求解纳维-斯托克斯方程，耗费时间巨大，无法实时进行流体动力学耦合分析。
如何实现对漂浮式风力机进行高效流体动力学耦合分析，是需要关注的问题。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本申请以便提供一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法及装置，以提高漂浮式风力机的流体动力学耦合分析的效率。
为了实现上述目的，现提出具体方案如下：
一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法，包括：
分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵；
分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷；
获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息；
基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷；
基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的步骤，直到达到预设时间步为止。
可选的，所述分析漂浮式风力机的浮式基础，确定所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，包括：
创建漂浮式风力机的浮式基础的几何模型，对所述几何模型进行网格划分，得到网格划分后的几何模型；
对所述网格划分后的几何模型进行水动力学分析，得到附加质量矩阵、阻尼系数和幅值响应算子；
基于所述阻尼系数，确定所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的阻尼系数函数；
利用JONSWAP波浪谱，创建模拟所述漂浮式风力机当前航行时的波浪函数，并确定所述波浪函数的幅值、相位；
根据所述波浪函数的幅值、相位以及所述幅值响应算子，确定所述漂浮式风力机的波浪激励力载荷，并将所述波浪激励力载荷、所述阻尼系数函数以及所述附加质量矩阵组成水动力载荷。
可选的，所述幅值响应算子包括响应幅值和响应相位；
根据所述波浪函数的幅值、相位以及所述幅值响应算子，确定所述漂浮式风力机的波浪激励力载荷，包括：
利用如下函数，确定所述漂浮式风力机的波浪激励力载荷：
其中，|H(ωj)|为所述响应幅值，δ(ωj)为所述响应相位，Aj为所述波浪函数的幅值，t为所述预设时长，ωjt+εj为所述波浪函数的相位，N为所述波浪函数的预设划分次数。
可选的，分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷，包括：
分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，得到所述缆绳的长度，所述缆绳在水平方向上和竖直方向上的长度，所述缆绳与水中泥沙之间的摩擦系数，所述缆绳的弹性模量、截面积，所述缆绳在水中的重力信息；
利用如下方程组，得到所述缆绳的水平分力信息和竖直分力信息：
其中，xF表示所述缆绳在水平方向上的长度，zF表示所述缆绳在竖直方向上的长度，ω表示所述缆绳在水中的重力，L表示所述缆绳的长度，CB表示所述摩擦系数，E表示所述缆绳的弹性模量，A表示所述缆绳的截面积，HF表示所述缆绳的水平分力信息，VF表示所述缆绳的竖直分力信息；
根据所述水平分力信息和竖直分力信息，确定所述漂浮式风力机的系泊力载荷信息。
可选的，所述机体参数信息包括所述漂浮式风力机稳定时在所述水体下的部分的体积；
所述水体参数信息包括水体密度；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷，包括：
根据所述体积以及所述水体密度，确定所述漂浮式风力机在所述水体上稳定时的静态浮力载荷。
可选的，所述水体参数信息包括水体密度，所述机体参数信息包括所述漂浮式风力机的机体长轴方向上的横截面积；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的黏性力载荷，包括：
基于所述波浪引起的水质点的变化，确定所述水质点与所述漂浮式风力机的机体短轴方向上的相对速度；
根据所述水体的密度、所述横截面积、所述相对速度、预设的第一系数，确定所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的黏性力载荷。
可选的，所述叶片气动参数包括转子叶片的升力、阻力和扭矩系数；
基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷，包括：
根据所述各气动节点的坐标和运动信息，确定所述漂浮式风力机中包含各气动节点的塔柱所受到的作用于塔架表面的法向力；
根据所述转子叶片的升力、阻力和扭矩系数，确定所述转子叶片的风力信息；
根据所述转子叶片的风力信息和所述法向力，确定所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷。
可选的，所述水动力载荷包括波浪激励力载荷、阻尼系数函数以及附加质量矩阵；
基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，包括：
利用如下微分方程，得到所述漂浮式风力机在所述预设时长后的下一时间步的位移量、速度和加速度：
其中，[M]表示基于所述漂浮式风力机的机体质量所得到的质量矩阵，[A]inf表示所述附加质量矩阵，K(t)表示以所述预设时长为自变量的阻尼系数函数，[C]表示所述静水回复力矩阵，Fwaves表示所述波浪激励力载荷对应的波浪激励力，Fmooring表示所述系泊力载荷对应的系泊力，Fdrag表示所述黏性力载荷对应的黏性力，Fwind表示所述气动载荷对应的风力，Fstatic表示所述静态浮力载荷对应的静水浮力，t表示所述预设时间，表示加速度，/>表示速度，q表示位移量，所述位移量、速度和加速度组成运动信息；
基于所述漂浮式风力机的当前位置以及所述预设时长后的下一时间步的位移量，确定所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标。
可选的，在所述返回执行获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息的步骤，直到达到预设时间步为止之后，还包括：
汇总所述漂浮式风力机在各时间步下的各载荷、坐标及运动信息，以供对所述漂浮式风力机进行性能预报。
一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析装置，包括：
浮式基础分析单元，用于分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵；
系泊力载荷确定单元，用于分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷；
双载荷确定单元，用于基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷；
气动参数获取单元，用于获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息；
气动载荷计算单元，用于基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷；
运动信息确定单元，用于基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行所述浮式基础分析单元用于分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的处理步骤，直到达到预设时间步为止。
借由上述技术方案，本申请通过分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷以及静水回复力矩阵，分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷，基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷，获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息，基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷，基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息的步骤，直到达到预设时间步为止。由此可见，通过分析漂浮式风力机的当前时间步下的气动载荷、系泊力载荷、水动力载荷、静态浮力载荷、黏性力载荷以及静水回复力矩阵，并将各参数耦合进行分析，从而得到下一时间步的运动信息及位置，避免了对漂浮式风力机的几何模型构建庞大的网格节点，进行复杂的流场变化分析，提高了对漂浮式风力机流体动力学耦合分析的效率。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请实施例提供的一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法的流程图；
图2为本申请实施例提供的一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析装置的结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析设备的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请方案可以基于具备数据处理能力的终端实现，该终端可以是电脑、服务器、云端等。本申请方案中的参数计算方法可以基于Modelica语言实现。
接下来，结合图1所述，本申请的漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法可以包括如下步骤：
步骤S110、分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵。
具体的，所述漂浮式风力机的浮式基础可以是漂浮式风力机在水面以下的部分，分析漂浮式风力机的浮式基础可以是对漂浮式风力机在水面以下的部分建立模型。所述预设时长可以表示漂浮式风力机模型从起始位置运动至目标位置的最短时间，预设时长可以自定义。
可以理解的是，由于需要对漂浮式风力机进行流体动力学耦合分析时融合多个载荷，因此需要对所分析得到的水动力载荷以及静水回复力矩阵预先存储，以便从内存里提取。
步骤S120、分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷。
具体的，缆绳的当前状态信息可以是缆绳在水平、竖直方向上的长度，缆绳在水中的重力，缆绳的长度，缆绳与水中泥沙之间的摩擦系数，缆绳的弹性模量、截面积等。
可以理解的是，由于需要对漂浮式风力机进行流体动力学耦合分析时融合多个载荷，因此需要对所分析得到的系泊力载荷预先存储，以便从内存里提取。
步骤S130、基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷。
可以理解的是，由于需要对漂浮式风力机进行流体动力学耦合分析时融合多个载荷，因此需要对所分析得到的静态浮力载荷、黏性力载荷预先存储，以便从内存里提取。
步骤S140、获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息。
其中，所述坐标可以表示漂浮式风力机的各气动节点的具体位置，运动信息可以表示漂浮式风力机的各气动节点的移动速度和加速度。
具体的，对于首个时间步的各气动节点的坐标和运动信息可以初始化处理，初始化处理可以是随机生成的，首个时间步的后续时间步的各气动节点的坐标和运动信息可以是基于，对漂浮式风力机流体动力学耦合分析得到的坐标和运动信息得到的。
步骤S150、基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷。
可以理解的是，由于需要对漂浮式风力机进行流体动力学耦合分析时融合多个载荷，因此需要对所分析得到的气动载荷预先存储，以便从内存里提取。
步骤S160、基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合各载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步。
具体的，确定漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息的方式可以是基于多体动力学模型中的运动控制方程得到的。
可以理解的是，由于需要分析多个时间步下的漂浮式风力机的坐标及运动信息，因此需要更新并存储每一时间步下的坐标及运动信息，以便分析后续时间步下漂浮式风力机的各载荷。
步骤S170、判断是否达到预设时间步，若是，则结束，若否，则返回执行步骤S110。
具体的，预设时间步可以表示需要对漂浮式风力机流体动力学耦合分析的最少次数下的时间步，预设时间步可以自定义。
可以理解的是，若当前时间步达到预设时间步，可以表示已经对漂浮式风力机流体动力学耦合分析完毕，此时得到各时间步下的漂浮式风力机的各载荷、坐标以及运动信息，结束对漂浮式风力机流体动力学耦合分析。若当前时间步未达预设时间步，可以表示仍未完成对漂浮式风力机流体动力学耦合分析，则返回执行步骤S110。
本实施例提供的漂浮式风力机的运动控制方法，分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷以及静水回复力矩阵，分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷，基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷，获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息，基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷，基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息的步骤，直到达到预设时间步为止。由此可见，通过分析漂浮式风力机的当前时间步下的气动载荷、系泊力载荷、水动力载荷、静态浮力载荷、黏性力载荷以及静水回复力矩阵，并将各参数耦合进行分析，从而得到下一时间步的运动信息及位置，避免了对漂浮式风力机的几何模型构建庞大的网格节点，进行复杂的流场变化分析，提高了对漂浮式风力机流体动力学耦合分析的效率。
本申请的一些实施例中，对上述步骤S110、分析漂浮式风力机的浮式基础，确定所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的过程进行介绍，该过程可以包括：
S1、创建漂浮式风力机的浮式基础的几何模型，对所述几何模型进行网格划分，得到网格划分后的几何模型。
具体的，漂浮式风力机的浮式基础的几何模型可以是通过Modelica中的ANSYSWorkbench中Hydrodynamic Diffraction组件创建的。
S2、对所述网格划分后的几何模型进行水动力学分析，得到附加质量矩阵、阻尼系数和幅值响应算子。
具体的，幅值响应算子可以由响应幅值和响应相位组成，其中，响应幅值可以表示为|H(ωj)|，响应相位可以表示为δ(ωj)。
S3、基于所述阻尼系数，确定所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的阻尼系数函数。
具体的，阻尼系数函数可以表示为：
其中，Bij(ω)可以表示阻尼系数，t可以表示预设时间，下标i、j为自由度方向。
S4、利用JONSWAP波浪谱，创建模拟所述漂浮式风力机当前航行时的波浪函数，并确定所述波浪函数的幅值、相位。
具体的，所述波浪函数可以表示为：
其中，Aj可以表示波浪函数的幅值，t可以表示所述预设时长，ωjt+εj可以表示波浪函数的相位，N为所述波浪函数划分的次数，表示波浪函数的模拟精度，N可以自定义。
S5、根据所述波浪函数的幅值、相位以及所述幅值响应算子，确定所述漂浮式风力机的波浪激励力载荷，并将所述波浪激励力载荷、所述阻尼系数函数以及所述附加质量矩阵组成水动力载荷。
具体的，波浪激励力载荷可以表示为：
本申请提供的实施例中，能够通过基于漂浮式风力机的浮式基础创建模型，并分析得到波浪激励力载荷、阻尼系数函数以及附加质量矩阵，从而确定漂浮式风力机在当前时间步下的水动力载荷。
本申请的一些实施例中，对上述步骤S120、分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷的过程进行介绍，该过程可以包括：
S1、分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，得到所述缆绳的长度，所述缆绳在水平方向上和竖直方向上的长度，所述缆绳与水中泥沙之间的摩擦系数，所述缆绳的弹性模量、截面积，所述缆绳在水中的重力信息。
S2、确定所述缆绳的水平分力信息和竖直分力信息。
具体的，可以利用如下方程组，得到所述缆绳的水平分力信息和竖直分力信息：
其中，xF表示所述缆绳在水平方向上的长度，zF表示所述缆绳在竖直方向上的长度，ω表示所述缆绳在水中的重力，L表示所述缆绳的长度，CB表示所述摩擦系数，E表示所述缆绳的弹性模量，A表示所述缆绳的截面积，HF表示所述缆绳的水平分力信息，VF表示所述缆绳的竖直分力信息。
S3、根据所述水平分力信息和竖直分力信息，确定所述漂浮式风力机的系泊力载荷信息。
可以理解的是，漂浮式风力机包含缆绳，因此作用在缆绳上的水平分力信息对应的水平分力，以及竖直分力信息对应的竖直分力，两者的合力可以作为漂浮式风力机的系泊力载荷。
本申请提供的实施例中，能够通过分析漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，得到缆绳的长度，缆绳在水平方向上和竖直方向上的长度，缆绳与水中泥沙之间的摩擦系数，缆绳的弹性模量、截面积，缆绳在水中的重力信息，从而确定漂浮式风力机在当前时间步下的系泊力载荷。
本申请的一些实施例中，当上述实施例提到的机体参数信息为漂浮式风力机稳定时在所述水体下的部分的体积，以及，水体参数信息为水体密度时，对上述实施例提到的基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷的过程进行介绍，该过程可以包括：
S1、根据所述体积以及所述水体密度，确定所述漂浮式风力机在所述水体上稳定时的静态浮力载荷。
具体的，可以预先在漂浮式风力机航行在水体上且稳定时，测量漂浮式风力机在水体下的部分的体积，以及水体密度，确定所述漂浮式风力机此刻的静态浮力载荷信息。也可以预先在漂浮式风力机航行在水体上且稳定时，测量漂浮式风力机在水体下的部分的体积，以及水体密度并存储与内存，当需要计算静浮力时，调用所述体积，以及水体密度并计算所述静态浮力载荷。
本申请提供的实施例中，能够通过漂浮式风力机稳定时在所述水体下的部分的体积，以及水体密度，确定漂浮式风力机在当前时间步下的静浮力载荷。
本申请的一些实施例中，当上述实施例提到的机体参数信息为漂浮式风力机的机体长轴方向上的横截面积，以及，水体参数信息为水体密度时，对上述实施例提到的基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的黏性力载荷的过程进行介绍，该过程可以包括：
S1、基于所述波浪引起的水质点的变化，确定所述水质点与所述漂浮式风力机的机体短轴方向上的相对速度。
可以理解的是，当漂浮式风力机航行在平稳的水体上时，水质点位于漂浮式风力机的长轴上，当存在波浪时会使水质点偏离漂浮式风力机的长轴，那么此时的偏离的瞬时速度可以为所述水质点与所述漂浮式风力机的机体短轴方向上的相对速度。
S2、根据所述水体的密度、所述横截面积、所述相对速度、预设的第一系数，确定所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的黏性力载荷。
具体的，黏性力载荷可以表示为：
其中，CD可以表示预设的第一系数，预设的第一系数可以表示拖拽力系数，ρ可以表示水体密度，A可以表示漂浮式风力机的机体长轴方向上的横截面积，μx可以表示水质点与漂浮式风力机的机体短轴方向上的相对速度。
本申请提供的实施例中，能够通过水体密度，漂浮式风力机的机体长轴方向上的横截面积，以及水质点与漂浮式风力机的机体短轴方向上的相对速度，确定漂浮式风力机在当前时间步下的黏性力载荷。
本申请的一些实施例中，当上述实施例提到的叶片气动参数为转子叶片的升力、阻力和扭矩系数时，对上述步骤S150、基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷的过程进行介绍，该过程可以包括：
S1、根据所述各气动节点的坐标和运动信息，确定所述漂浮式风力机中包含各气动节点的塔柱所受到的作用于塔架表面的法向力。
S2、根据所述转子叶片的升力、阻力和扭矩系数，确定所述转子叶片的风力信息。
具体的，可以基于转子叶片的升力和阻力计算出合力，将扭矩系数与合力相乘得到转子叶片的风力。
S3、根据所述转子叶片的风力信息和所述法向力，确定所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷。
可以理解的是，所述风力信息对应的风力作用于转子叶片，所述法向力作用于塔柱，漂浮式风力机可以包含转子叶片和塔柱，因此所述风力与法向力的合力可以作为漂浮式风力机的风力载荷信息。
本申请提供的实施例中，能够通过漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息确定塔柱所受到的作用于塔架表面的法向力，并根据所述转子叶片的升力、阻力和扭矩系数，确定所述转子叶片的风力信息，从而确定漂浮式风力机在当前时间步下的风力载荷。
本申请的一些实施例中，当上述实施例提到的水动力载荷为波浪激励力载荷、阻尼系数函数以及附加质量矩阵时，对上述实施例提到的基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息的过程进行介绍，该过程可以包括：
S1、确定所述漂浮式风力机在所述预设时长后的下一时间步的位移量、速度和加速度。
具体的，可以利用如下微分方程，得到所述漂浮式风力机在所述预设时长后的下一时间步的位移量、速度和加速度：
其中，[M]表示基于所述漂浮式风力机的机体质量所得到的质量矩阵，[A]inf表示所述附加质量矩阵，K(t)表示以所述预设时长为自变量的阻尼系数函数，[C]表示所述静水回复力矩阵，Fwaves表示所述波浪激励力载荷对应的波浪激励力，Fmooring表示所述系泊力载荷对应的系泊力，Fdrag表示所述黏性力载荷对应的黏性力，Fwind表示所述气动载荷对应的风力，Fstatic表示所述静态浮力载荷对应的静水浮力，t表示所述预设时间，表示加速度，/>表示速度，q表示位移量，所述位移量、速度和加速度组成运动信息。
S2、基于所述漂浮式风力机的当前位置以及所述预设时长后的下一时间步的位移量，确定所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标。
具体的，所述位移量可以包含方向和距离，基于所述漂浮式风力机的当前位置以及需要移动的方向和距离，可以确定目的位置的坐标。
本申请提供的实施例中，能够通过漂浮式风力机当前时间步下的波浪激励力载荷、阻尼系数函数、附加质量矩阵、气动载荷、系泊力载荷、静态浮力载荷、黏性力载荷以及静水回复力矩阵，计算得到漂浮式风力机在下一时间步的坐标和运动信息。
考虑到对漂浮式风力机流体动力学耦合分析所存储的数据进行处理，本申请的一些实施例中，在上述实施例提到的在当前时间步达到预设时间步之后，还可以包括：汇总所述漂浮式风力机在各时间步下的各载荷、坐标及运动信息，得到对漂浮式风力机在预设时间步下的所有流体动力学耦合分析的所有结果，以供对所述漂浮式风力机进行性能预报。
下面对本申请实施例提供实现的漂浮式风力机流体动力学耦合分析装置进行描述，下文描述实现的漂浮式风力机流体动力学耦合分析装置与上文描述实现的漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法可相互对应参照。
参见图2，图2为本申请实施例公开的一种实现的漂浮式风力机流体动力学耦合分析装置的结构示意图。
如图2所示，该装置可以包括：
浮式基础分析单元11，用于分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵；
系泊力载荷确定单元12，用于分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷；
双载荷确定单元13，用于基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷；
气动参数获取单元14，用于获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息；
气动载荷计算单元15，用于基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷；
运动信息确定单元16，用于基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行所述浮式基础分析单元11用于分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的步骤，直到达到预设时间步为止。
本申请实施例提供的漂浮式风力机流体动力学耦合分析装置可应用于漂浮式风力机流体动力学耦合分析设备，如终端：手机、电脑等。可选的，图3示出了漂浮式风力机流体动力学耦合分析的硬件结构框图，参照图3，漂浮式风力机流体动力学耦合分析设备的硬件结构可以包括：至少一个处理器1，至少一个通信接口2，至少一个存储器3和至少一个通信总线4；
在本申请实施例中，处理器1、通信接口2、存储器3、通信总线4的数量为至少一个，且处理器1、通信接口2、存储器3通过通信总线4完成相互间的通信；
处理器1可能是一个中央处理器CPU，或者是特定集成电路ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路等；
存储器3可能包含高速RAM存储器，也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory)等，例如至少一个磁盘存储器；
其中，存储器存储有程序，处理器可调用存储器存储的程序，所述程序用于：
分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵；
分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷；
获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息；
基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷；
基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的步骤，直到达到预设时间步为止。
可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。
本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质可存储有适于处理器执行的程序，所述程序用于：
分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵；
分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷；
获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息；
基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷；
基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的步骤，直到达到预设时间步为止。
可选的，所述程序的细化功能和扩展功能可参照上文描述。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间可以根据需要进行组合，且相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析方法，其特征在于，包括：
分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵；
分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷；
获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息；
基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷；
基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的步骤，直到达到预设时间步为止。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析漂浮式风力机的浮式基础，确定所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，包括：
创建漂浮式风力机的浮式基础的几何模型，对所述几何模型进行网格划分，得到网格划分后的几何模型；
对所述网格划分后的几何模型进行水动力学分析，得到附加质量矩阵、阻尼系数和幅值响应算子；
基于所述阻尼系数，确定所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的阻尼系数函数；
利用JONSWAP波浪谱，创建模拟所述漂浮式风力机当前航行时的波浪函数，并确定所述波浪函数的幅值、相位；
根据所述波浪函数的幅值、相位以及所述幅值响应算子，确定所述漂浮式风力机的波浪激励力载荷，并将所述波浪激励力载荷、所述阻尼系数函数以及所述附加质量矩阵组成水动力载荷。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述幅值响应算子包括响应幅值和响应相位；
根据所述波浪函数的幅值、相位以及所述幅值响应算子，确定所述漂浮式风力机的波浪激励力载荷，包括：
利用如下函数，确定所述漂浮式风力机的波浪激励力载荷：
其中，|H(ωj)|为所述响应幅值，δ(ωj)为所述响应相位，Aj为所述波浪函数的幅值，t为所述预设时长，ωjt+εj为所述波浪函数的相位，N为所述波浪函数的预设划分次数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷，包括：
分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，得到所述缆绳的长度，所述缆绳在水平方向上和竖直方向上的长度，所述缆绳与水中泥沙之间的摩擦系数，所述缆绳的弹性模量、截面积，所述缆绳在水中的重力信息；
利用如下方程组，得到所述缆绳的水平分力信息和竖直分力信息：
其中，xF表示所述缆绳在水平方向上的长度，zF表示所述缆绳在竖直方向上的长度，ω表示所述缆绳在水中的重力，L表示所述缆绳的长度，CB表示所述摩擦系数，E表示所述缆绳的弹性模量，A表示所述缆绳的截面积，HF表示所述缆绳的水平分力信息，VF表示所述缆绳的竖直分力信息；
根据所述水平分力信息和竖直分力信息，确定所述漂浮式风力机的系泊力载荷信息。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机体参数信息包括所述漂浮式风力机稳定时在所述水体下的部分的体积；
所述水体参数信息包括水体密度；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷，包括：
根据所述体积以及所述水体密度，确定所述漂浮式风力机在所述水体上稳定时的静态浮力载荷。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水体参数信息包括水体密度，所述机体参数信息包括所述漂浮式风力机的机体长轴方向上的横截面积；
基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的黏性力载荷，包括：
基于所述波浪引起的水质点的变化，确定所述水质点与所述漂浮式风力机的机体短轴方向上的相对速度；
根据所述水体的密度、所述横截面积、所述相对速度、预设的第一系数，确定所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的黏性力载荷。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述叶片气动参数包括转子叶片的升力、阻力和扭矩系数；
基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷，包括：
根据所述各气动节点的坐标和运动信息，确定所述漂浮式风力机中包含各气动节点的塔柱所受到的作用于塔架表面的法向力；
根据所述转子叶片的升力、阻力和扭矩系数，确定所述转子叶片的风力信息；
根据所述转子叶片的风力信息和所述法向力，确定所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水动力载荷包括波浪激励力载荷、阻尼系数函数以及附加质量矩阵；
基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，包括：
利用如下微分方程，得到所述漂浮式风力机在所述预设时长后的下一时间步的位移量、速度和加速度：
其中，[M]表示基于所述漂浮式风力机的机体质量所得到的质量矩阵，[A]inf表示所述附加质量矩阵，K(t)表示以所述预设时长为自变量的阻尼系数函数，[C]表示所述静水回复力矩阵，Fwaves表示所述波浪激励力载荷对应的波浪激励力，Fmooring表示所述系泊力载荷对应的系泊力，Fdrag表示所述黏性力载荷对应的黏性力，Fwind表示所述气动载荷对应的风力，Fstatic表示所述静态浮力载荷对应的静水浮力，t表示所述预设时间，表示加速度，/>表示速度，q表示位移量，所述位移量、速度和加速度组成运动信息；
基于所述漂浮式风力机的当前位置以及所述预设时长后的下一时间步的位移量，确定所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述返回执行获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息的步骤，直到达到预设时间步为止之后，还包括：
汇总所述漂浮式风力机在各时间步下的各载荷、坐标及运动信息，以供对所述漂浮式风力机进行性能预报。
10.一种漂浮式风力机流体动力学耦合分析装置，其特征在于，包括：
浮式基础分析单元，用于分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷，以及确定并存储静水回复力矩阵；
系泊力载荷确定单元，用于分析所述漂浮式风力机中缆绳的当前状态信息，确定并存储所述当前时间步下所述漂浮式风力机的系泊力载荷；
双载荷确定单元，用于基于所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的机体参数信息和/或所处于水体的水体参数信息，确定并存储所述漂浮式风力机在所述当前时间步下的静态浮力载荷、黏性力载荷；
气动参数获取单元，用于获取所述漂浮式风力机的叶片气动参数，以及所述漂浮式风力机的各气动节点的坐标和运动信息；
气动载荷计算单元，用于基于所述叶片气动参数与所述各气动节点的坐标和运动信息，通过叶素动量理论及其修正算法，计算并存储所述漂浮式风力机在当前时间步下的气动载荷；
运动信息确定单元，用于基于所述漂浮式风力机的当前位置，融合所述气动载荷、所述系泊力载荷、所述水动力载荷、所述静态浮力载荷、所述黏性力载荷以及所述静水回复力矩阵，确定、更新并存储所述漂浮式风力机在下一时间步的坐标及运动信息，并将下一时间步作为当前时间步，返回执行所述浮式基础分析单元用于分析漂浮式风力机的浮式基础，确定并存储所述漂浮式风力机在预设时长的当前时间步下的水动力载荷的步骤，直到达到预设时间步为止。
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