CN115630552B - 一种涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法 - Google Patents

一种涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法

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Abstract

本发明公开了一种涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法，包括：创建柱体结构和外流场计算域的几何模型；对柱体部件网格和外流场计算域背景网格进行划分，运用重叠网格技术进行两套网格之间流场信息的传递；建立电磁力与非线性回复力作用下弹性支撑刚性柱体涡激振动的结构动力学模型；将计算流体动力学模型与结构动力学模型相结合进行流固耦合数值计算；模拟达到终止时间后，对计算数据进行后处理。本发明考虑电磁力与非线性回复力，计算获得所述柱体的位移、速度、加速度、所受到的流体力以及能量转换效率，从而实现柱体涡激振动响应及能量转换特性的预报，为涡激振动潮流能发电装置的分析与设计提供了一种更为准确可靠的方法。

Description

一种涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法
技术领域
本发明涉及流固耦合数值模拟的技术领域，特别是涉及一种涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法。
背景技术
当流体流过钝体时，会在其两侧产生交替泻放的旋涡，进而使结构物受到周期性变化的流体力，当结构物为柔性或弹性支撑时，则导致其发生往复运动，而结构物的往复运动又会改变流体的流动模式，从而改变作用于结构物表面的流体力，这种流固耦合现象称为涡激振动。旋涡脱落频率接近结构物的固有频率时，可能出现频率锁定现象，诱发结构物的大幅振动。涡激振动是造成海洋工程结构物疲劳失效的主要原因之一。而另一方面，涡激振动具有自激且自持的特性，可用于潮流能的开发利用，涡激振动潮流能发电技术的开发以及基于涡激振动的潮流能发电装置研制逐渐成为研究热点。
目前，关于涡激振动潮流能发电装置的研究通常将发电机的电磁力简化为阻尼系数为常数的阻尼力。然而，实际工程中发电机的电磁力为变阻尼系数的阻尼力。现有研究难以反映真实工况下涡激振动潮流能发电装置的性能，预报涡激振动潮流能发电装置性能的准确度和可靠性不高。
发明内容
本发明的目的是在于解决提高预报涡激振动潮流能发电装置性能准确度和可靠性的技术问题。
为此，本发明提出一种涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法，包括以下步骤：
S1：创建柱体结构的几何模型和所述柱体结构所处外流场计算域的几何模型；
S2：对柱体结构附近流场计算域和外流场计算域进行网格划分进而得到柱体部件网格和外流场计算域背景网格，通过重叠网格技术进行所述柱体部件网格和外流场计算域背景网格间流场信息的传递；
S3：建立电磁力与非线性回复力作用下柱体涡激振动的结构动力学模型；
S4：将计算流体动力学模型与所述结构动力学模型相结合进行流固耦合数值计算；
S5：模拟达到终止时间后，对计算数据进行后处理，得到柱体涡激振动的响应及能量转换特性。
在本发明的一些实施例中，步骤S1中，所述外流场计算域的几何模型依据所述柱体结构的几何尺寸建立，所述外流场计算域为将所述柱体结构包围在内的长方体区域，所述柱体结构的上游为自由来流区域，下游为发生旋涡脱落的尾迹区域。
在本发明的一些实施例中，步骤S2中，所述的柱体部件网格采用O型贴体网格的划分策略，部件网格区域为与柱体结构同心的圆柱；对所述外流场计算域背景网格进行划分时，对所述柱体附近及所述尾迹区域的网格进行加密；所述柱体部件网格与所述外流场计算域背景网格均使用结构化网格，采用重叠网格技术，对所述柱体内部的网格进行挖洞，将重叠部分不参与计算的网格进行识别，并在计算时不予考虑，通过边缘网格进行插值，流场信息能够在所述柱体部件网格与外流场计算域背景网格之间传递。
在本发明的一些实施例中，对步骤S2中所述柱体表面沿径向的第一层网格高度满足y+≤1，顺流向和展向的网格尺寸分别满足50≤x+≤150，15≤z+≤40，利用距离权重函数完成网格间流场信息的插值：
式中：φr是受体单元处的流场变量，M为供体单元的数量，φi表示供体单元i处的流场变量，di代表供体单元i和受体单元之间的距离。
在本发明的一些实施例中，步骤S3还包括：利用计算流体动力学的方法，柱体周围流场使用非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程进行求解，湍流采用大涡模拟局部涡黏度壁面自适应模型。
在本发明的一些实施例中，步骤S3中，流体控制方程的离散运用有限体积法，利用PIMPLE算法处理压力速度耦合，瞬态项的离散采用隐式二阶向后格式，对流项的离散格式为二阶线性迎风稳定输运格式，选取自适应时间步长，以满足Courant-Friedrichs-Lewy条件，使得最大库朗特数Comax<1。
在本发明的一些实施例中，步骤S3中还包括确定初始条件和边界条件，并初始化计算参数，开展数值模拟；通过对作用于柱体表面的压力和黏性力进行积分，计算所述柱体受到的流体力，将所述流体力带入到所述结构动力学模型。
在本发明的一些实施例中，步骤S3中所述结构动力学模型为：
式中：m为振动系统的质量，b表示系统的结构阻尼系数，bem代表系统的电磁阻尼系数，k为系统的线性刚度，c是非线性刚度，Fy为柱体所受的横流向流体力；涡激振动潮流能发电装置多采用永磁直线发电机进行能量转换，永磁直线发电机电磁力的本质为变阻尼系数的阻尼力，根据法拉第电磁感应定律和单磁偶极子近似，电磁阻尼系数bem可表示为：
其中，a表示线圈半径，μ为磁偶极矩，N代表线圈匝数，L表示线圈长度，R是负载电阻；确定所述边界条件包括：入口边界采用速度入口边界条件，出口边界使用压力出口边界条件，横向边界条件运用自由滑移边界条件，所述柱体表面为无滑移边界条件，展向边界采用周期性边界条件；所述柱体初始处于静止状态。
在本发明的一些实施例中，在步骤S4中，通过纽马克数值积分的方法求解电磁力与非线性回复力作用下涡激振动的结构动力学模型，能够得到所述柱体振动的位移、速度和加速度；判断是否达到终止时间，若未达到终止时间，更新流场网格，在更新后的网格上重复步骤S3–S4，进行下一时间步的求解。
在本发明的一些实施例中，在步骤S4中，所采用的纽马克法将第n步到第n+1步的位移、速度和减速度以如下方式联系起来：
选取适合的积分参数β＝1/4，γ＝1/2，使得数值积分方法无条件稳定且具有二阶精度。
在本发明的一些实施例中，步骤S5中所述后处理包括：提取所述柱体的位移、速度响应及所受到的流体力，由电磁力与振动速度的乘积得到柱体的能量转换功率，利用时均功率与柱体扫掠流体所蕴含的总能量的比值计算装置的能量转换效率，运用CFD的流场可视化技术，研究柱体的三维尾涡结构与各展向截面的泻涡模式。
在本发明的一些实施例中，步骤S5中所述柱体涡激振动的能量转换效率使用下式计算：
其中，为时均功率，ρ表示流体密度，U代表自由来流速度，Ay为柱体振动最大振幅，D是圆柱直径，H表示圆柱展向长度，运用λ2准则对柱体三维尾涡结构进行识别，各展向截面的泻涡模式采用涡量场表示。
在本发明的一些实施例中，步骤S1中所述外流场计算域入口边界与所述柱体重心之间的距离大于或等于10倍柱体直径，所述外流场计算域两横向边界与所述柱体重心之间的距离大于或等于10倍柱体直径，所述外流场计算域出口边界与所述柱体重心的距离大于或等于30倍柱体直径，展向长度与所述柱体直径之比根据所要模拟的涡激振动潮流能发电装置柱体长度确定。
本发明还提供一种涡激振动潮流能发电装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现上述任一项所述的方法。
本发明还提供一种计算机可读介质，存储有计算机程序，所述计算机程序可被读取以实现上述任一项所述的方法。
本发明具有如下有益效果：
本发明提出的一种基于有限体积法的计算流体动力学模型和考虑电磁力与非线性回复力作用的结构动力学模型的耦合计算方法，通过考虑电磁力与非线性回复力，将流体动力学模型与结构动力学模型结合进行柱体涡激振动的流固耦合数值的计算，能够获得所述柱体的位移、速度、加速度、所受到的流体力以及能量转换效率，从而实现柱体涡激振动响应及能量转换特性的预报；本发明建立了电磁力与非线性回复力作用下三维柱体结构涡激振动的高保真数值模型，提高了预报涡激振动潮流能发电装置性能的准确度和可靠性。
在本发明的一些实施例根据法拉第电磁感应定律和单磁偶极子近似，模拟出永磁直线发电机电磁力，能够反映真实工况下涡激振动潮流能发电装置性能。
本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
附图说明
附图1是本发明实施例中涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法的基本流程图；
附图2是本发明实施例中柱体涡激振动模型的示意图；
附图3a是本发明实施例中流场计算域网格示意图；
附图3b是本发明实施例中柱体周围网格划分示意图；
附图4a是本发明实施例中柱体振动位移的时历曲线图；
附图4b是本发明实施例中柱体能量转换功率的时历曲线图；
附图5a是本发明实施例中柱体涡激振动的三维尾涡结构图；
附图5b是本发明实施例中柱体涡激振动0m展向截面的泻涡模式图；
附图5c是本发明实施例中柱体涡激振动0.0508m展向截面的泻涡模式图；
附图5d是本发明实施例中柱体涡激振动0.1016m展向截面的泻涡模式图；
附图5e是本发明实施例中柱体涡激振动0.1524m展向截面的泻涡模式图；
附图5f是本发明实施例中柱体涡激振动0.2032m展向截面的泻涡模式图；
附图5g是本发明实施例中柱体涡激振动0.254m展向截面的泻涡模式图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
非线性回复力可以改变系统的振动强度和系统发生稳定振动所对应的参数范围，可潜在用于提升涡激振动潮流能发电装置的性能。然而，非线性回复力对涡激振动系统响应及能量转换特性的研究较为缺乏。考虑电磁力与非线性回复力共同作用下弹性支撑柱体涡激振动的研究更鲜有报道。
近年来，随着计算机硬件性能的不断提升和数值仿真技术的快速发展，利用数值模拟的方法解决实际工程问题受到了广泛关注。此前，国内外学者对不同流固耦合问题开展了大量的数值研究，并与相关试验数据进行了详细的对比，误差均能控制在可接受的范围内，验证了数值模拟方法在研究复杂流固耦合问题方面的可靠性。因此，提出了一种电磁力与非线性回复力作用下涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法。
本发明下述实施例涉及流固耦合数值模拟的技术领域，特别涉及一种基于有限体积法的计算流体动力学模型和考虑电磁力与非线性回复力作用的结构动力学模型的耦合计算方法。
本发明下述实施例提出了流固耦合数值模拟领域的一种电磁力与非线性回复力作用下涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法：创建柱体结构和外流场计算域的三维模型；对部件网格和背景网格进行划分，采用重叠网格技术，实现网格间流场信息的传递；求解非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程和大涡模拟湍流模型；建立电磁力与非线性回复力作用下涡激振动结构动力学模型，开展耦合模拟，将计算所得流体力带入结构动力学模型；求解结构动力学模型得到柱体的位移、速度和加速度，更新流场网格继续进行求解；达到终止时间后，进行计算结果后处理。本实施例能够更加真实地反映涡激振动潮流能发电装置所受的电磁力，对非线性回复力的模拟可用于涡激振动潮流能发电装置的性能优化提升。
本发明下述实施例的目的是提供一种电磁力与非线性回复力作用下涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法，实现对柱体结构在电磁力与非线性回复力共同作用下的涡激振动响应及能量转换特性的预报，为研究和提升涡激振动潮流能发电装置性能奠定基础。
本发明下述实施例所采用的技术方案是：一种电磁力与非线性回复力作用下涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：创建柱体结构的三维几何模型，根据柱体结构的几何尺寸，建立其所处的三维外流场计算域模型，三维外流场计算域为将柱体结构包围在内的长方体区域，柱体结构的上游为自由来流区域，下游为发生旋涡脱落的尾迹区域；
步骤2：对柱体部件网格进行划分，柱体部件网格是柱体结构附近流场计算域进行网格划分得到的，柱体部件网格采用O型贴体网格的划分策略，部件网格区域为与柱体结构同心的圆柱；然后对外流场背景网格进行划分，外流场计算域进行网格划分后得到的为外流场计算域背景网格，柱体附近及尾迹区域的网格进行加密；部件网格和背景网格均使用结构化网格，采用重叠网格技术，对位于柱体内部的网格进行“挖洞”，将重叠部分不参与计算的网格进行识别，并在计算时不予考虑，通过边缘网格进行插值，实现两套网格之间流场信息的传递；
步骤3：利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法，柱体周围流场使用非定常不可压缩纳维-斯托克斯(Navier-Stokes,N-S)方程进行求解，湍流采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)局部涡黏度壁面自适应(wall-adapting localeddy-viscosity,WALE)模型；
步骤4：建立电磁力与非线性回复力作用下涡激振动的结构动力学模型，与计算流体动力学模型进行耦合；确定初始条件和边界条件，对计算参数进行初始化，开展数值模拟；将作用于柱体表面的压力和黏性力进行积分得到柱体所受的流体力，把得到的流体力带入到所建立的结构动力学模型中；
步骤5：利用纽马克数值积分的方法求解电磁力与非线性回复力作用下涡激振动的结构动力学模型，得到柱体振动的位移、速度和加速度；对是否达到终止时间进行判别，若未达到终止时间，则更新流场网格，流场网格是整体，包括柱体部件网格和外流场计算域背景网格，并返回步骤3，在更新后的网格上重复步骤3–5进行下一时间步的求解；
步骤6：模拟达到终止时间后，对计算数据进行后处理，提取柱体的位移、速度响应及所受到的流体力，由电磁力与振动速度的乘积得到柱体的能量转换功率，利用时均功率与柱体扫掠流体所蕴含的总能量的比值计算装置的能量转换效率，运用CFD的流场可视化技术，研究柱体的三维尾涡结构与各展向截面的泻涡模式。
作为本发明实施例的进一步限定，步骤S1中所述外流场计算域入口边界与所述柱体重心之间的距离大于或等于10倍柱体直径，所述外流场计算域两横向边界与所述柱体重心之间的距离大于或等于10倍柱体直径，所述外流场计算域出口边界与所述柱体重心的距离大于或等于30倍柱体直径，展向长度与所述柱体直径之比根据所要模拟的涡激振动潮流能发电装置柱体长度确定。
优选地，步骤1中外流场计算域入口边界距离柱体重心为20倍柱体直径，两横向边界距离柱体重心为20倍柱体直径，出口边界距离柱体重心40倍柱体直径，展向长度与柱体直径之比为5。
作为本发明实施例的进一步限定，步骤2中柱体表面沿径向的第一层网格高度满足y+≤1，顺流向和展向的网格尺寸分别满足50≤x+≤150，15≤z+≤40。利用距离权重函数完成网格间流场信息的插值：
式中：φr是受体单元处的流场变量，M为供体单元的数量，φi表示供体单元i处的流场变量，di代表供体单元i和受体单元之间的距离。
作为本发明实施例的进一步限定，步骤3中流体控制方程的离散运用有限体积法(finite volume method,FVM)，利用PIMPLE算法处理压力速度耦合，瞬态项的离散采用隐式二阶向后格式，对流项的离散格式为二阶线性迎风稳定输运(linear-upwindstabilised transport,LUST)格式，选取自适应时间步长，以满足Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件，使得最大库朗特数Comax<1。
作为本发明实施例的进一步限定，步骤4中电磁力与非线性回复力作用下涡激振动的结构动力学模型为：
式中：m为振动系统的质量，b表示系统的结构阻尼系数，bem代表系统的电磁阻尼系数，k为系统的线性刚度，c是非线性刚度，Fy为柱体所受的横流向流体力。涡激振动潮流能发电装置多采用永磁直线发电机进行能量转换，永磁直线发电机电磁力的本质为变阻尼系数的阻尼力，根据法拉第电磁感应定律和单磁偶极子近似，电磁阻尼系数bem可表示为：
其中，a表示线圈半径，μ为磁偶极矩，N代表线圈匝数，L表示线圈长度，R是负载电阻。采用如下边界条件和初始条件：入口边界采用速度入口边界条件，出口边界使用压力出口边界条件，横向边界条件运用自由滑移边界条件，柱体表面为无滑移边界条件，展向边界采用周期性边界条件，柱体初始处于静止状态。
作为本发明实施例的进一步限定，步骤5中所采用的纽马克法将第n步到第n+1步的位移、速度和加速度以如下方式联系起来：
选取适合的积分参数β＝1/4，γ＝1/2，使得数值积分方法无条件稳定且具有二阶精度。
作为本发明实施例的进一步限定，步骤6中柱体涡激振动的能量转换效率使用下式计算：
其中，为时均功率，ρ表示流体密度，U代表自由来流速度，Ay为柱体振动最大振幅，D是柱体直径，H表示柱体展向长度。运用λ2准则对柱体三维尾涡结构进行识别，各展向截面的泻涡模式采用涡量场表示。
本发明实施例还提供一种涡激振动潮流能发电装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现如上所述的方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读介质，存储有计算机程序，所述计算机程序可被读取以实现如上所述的方法。
下面结合附图，对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。
实施例1
本实施例为振动系统质量m＝1.2356kg，系统线性刚度k＝7.8044N/m，非线性刚度c＝3024.2282N/m3，系统结构阻尼系数b＝0.04N s/m，线圈半径a＝0.012m，磁偶极矩μ＝0.00014T m3，线圈匝数N＝100，线圈长度L＝0.115m，负载电阻R＝0.15Ω，得到直径D＝0.0508m、展向长度H＝0.254m的柱体在来流流速U＝0.1016m/s时电磁力与非线性回复力作用下的涡激振动响应及能量转换效率。
本实施例的基本步骤，如图1所示：
步骤1：创建柱体结构的三维几何模型，根据柱体结构的几何尺寸，建立其所处的三维外流场计算域模型，如图2所示，三维外流场计算域为将柱体结构包围在内的长方体区域，柱体结构的上游为自由来流区域，下游为发生旋涡脱落的尾迹区域。外流场计算域入口边界距离柱体重心为20倍柱体直径，两横向边界距离柱体重心为20倍柱体直径，出口边界距离柱体重心40倍柱体直径，展向长度与柱体直径之比为5。
步骤2：对柱体部件网格和计算域背景网格进行划分，如图3a和图3b所示，柱体部件网格采用O型贴体网格的划分策略，部件网格区域为与柱体结构同心的圆柱。柱体表面沿径向的第一层网格高度满足y+≤1，顺流向和展向的网格尺寸分别满足50≤x+≤150，15≤z+≤40。然后对外流场背景网格进行划分，柱体附近及尾迹区域的网格进行加密。部件网格和背景网格均采用结构化网格，采用开源计算流体动力学工具箱OpenFOAM中的重叠网格技术，对位于柱体内部的网格进行“挖洞”，将重叠部分不参与计算的网格进行识别，并在计算时不予考虑，并通过边缘网格进行插值，利用距离权重函数完成网格间流场信息的插值，得到受体单元处的流场变量：
式中：φr是受体单元处的流场变量，M为供体单元的数量，φi表示供体单元i处的流场变量，di代表供体单元i和受体单元之间的距离。从而实现两套网格之间流场信息的传递。
步骤3：利用开源计算流体动力学工具箱OpenFOAM求解流场控制方程，柱体周围流场使用非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程进行求解，湍流采用大涡模拟局部涡黏度壁面自适应模型，流体控制方程的离散运用有限体积法，利用PIMPLE算法处理压力速度耦合，瞬态项的离散采用隐式二阶向后格式，对流项的离散格式为二阶线性迎风稳定输运(linear-upwind stabilised transport,LUST)格式，选取自适应时间步长，以满足Courant-Friedrichs-Lewy(CFL)条件，使得最大库朗特数Comax<1。
步骤4：建立电磁力与非线性回复力作用下涡激振动的结构动力学模型：
式中：m为振动系统的质量，b表示系统的结构阻尼系数，bem代表系统的电磁阻尼系数，k为系统的线性刚度，c是非线性刚度，Fy为柱体所受的横流向流体力。涡激振动潮流能发电装置多采用永磁直线发电机进行能量转换，永磁直线发电机电磁力的本质为变阻尼系数的阻尼力，根据法拉第电磁感应定律和单磁偶极子近似，电磁阻尼系数bem可表示为：
其中，a表示线圈半径，μ为磁偶极矩，N代表线圈匝数，L表示线圈长度，R是负载电阻。确定初始条件和边界条件并对计算参数进行初始化：入口边界采用速度入口边界条件，出口边界使用压力出口边界条件，横向边界条件运用自由滑移边界条件，柱体表面为无滑移边界条件，展向边界采用周期性边界条件，柱体初始处于静止状态，开展数值模拟。
步骤5：采用纽马克法将第n步到第n+1步的位移、速度和加速度以如下方式联系起来：
选取适合的积分参数β＝1/4，γ＝1/2，使得数值积分方法无条件稳定且具有二阶精度。对是否达到终止时间进行判别，若未达到终止时间，则对流场网格进行更新，并返回步骤3，在更新后的网格上重复步骤3–5求解下一时间步的流场。
步骤6：模拟达到终止时间后，对计算数据进行后处理，提取柱体的位移、速度响应及所受到的流体力，由电磁力与振动速度的乘积得到柱体的能量转换功率，利用时均功率与柱体扫掠流体所蕴含的总能量的比值计算装置的能量转换效率：
其中，为时均功率，ρ表示流体密度，U代表自由来流速度，Ay为柱体振动最大振幅，D是圆柱直径，H表示圆柱展向长度。该实例中，电磁力与非线性回复力作用下弹性支撑刚性柱体振动位移的时历曲线如图4a所示，其中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示振动位移，柱体涡激振动能量转换功率的时历曲线如图4b所示，其中横坐标表示时间(秒)，纵坐标表示能量转换功率。运用λ2准则对柱体三维尾涡结构进行识别，各展向截面的泻涡模式采用涡量场表示。该实例中，电磁力与非线性回复力作用下弹性支撑刚性柱体涡激振动的三维尾涡结构如图5a所示，图5b为展向位置为0m的截面的泻涡模式图、图5c为0.0508m的截面的泻涡模式图、图5d为0.1016m的截面的泻涡模式图、图5e为0.1524m的截面的泻涡模式图、图5f为0.2032m的截面的泻涡模式图和图5g为0.254m截面的泻涡模式。现有技术通常将发电机的电磁力简化为阻尼系数为常数的阻尼力，而实际工程中发电机的电磁力本质上为变阻尼系数的阻尼力。此外，计及非线性回复力的涡激振动模拟仿真技术还十分有限。本实施例充分考虑了电磁力与非线性回复力在涡激振动潮流能发电装置中的作用，能够更加真实地反映涡激振动潮流能发电装置的响应与能量转换特性，对涡激振动系统中非线性回复力的模拟可用于优化提升涡激振动潮流能发电装置的性能。
本发明实施例与现有技术面向的应用场景具有明显的差异，本发明实施例可用于涡激振动潮流能发电装置响应与能量转换特性的预报和该类装置性能的优化提升，而现有技术主要为了抑制结构物的涡激振动，减弱涡激振动对高耸柱体结构疲劳寿命的影响。与现有技术相比本发明的有益技术效果如下：
1、工程中，真实柱体涡激振动的流场具有强烈的三维特性。本发明实施例采用了三维的数值模拟方法，能够捕捉流场的三维效应，而现有技术中的二维方法则存在明显缺陷。
2、在对复杂的高雷诺数湍流流动的求解方面，本发明实施例使用的大涡模拟的方法比现有技术中所使用RANS的方法精确程度更高。
在对涡激振动潮流能发电装置的模拟仿真方面，现有技术通常将发电机的电磁力简化为阻尼系数为常数的阻尼力，而实际工程中发电机的电磁力本质上为变阻尼系数的阻尼力。此外，计及非线性回复力的涡激振动模拟仿真技术还十分有限。本发明实施例充分考虑了电磁力与非线性回复力在弹性支撑刚性柱体涡激振动系统中的作用，能够更加真实地反映涡激振动潮流能发电装置的响应与能量转换特性，对涡激振动系统中非线性回复力的模拟可用于优化提升涡激振动潮流能发电装置的性能。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种涡激振动潮流能发电装置的数值模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：创建柱体结构的几何模型和所述柱体结构所处外流场计算域的几何模型；
S2：对柱体结构附近流场计算域和外流场计算域进行网格划分进而得到柱体部件网格和外流场计算域背景网格，通过重叠网格技术进行所述柱体部件网格和外流场计算域背景网格间流场信息的传递；
S3：建立电磁力与非线性回复力作用下柱体涡激振动的结构动力学模型；所述结构动力学模型为：
式中：m为振动系统的质量，b表示系统的结构阻尼系数，b em 代表系统的电磁阻尼系数，k为系统的线性刚度，c是非线性刚度，F y 为柱体所受的横流向流体力；根据法拉第电磁感应定律和单磁偶极子近似，电磁阻尼系数b em 可表示为：
其中，a表示线圈半径，μ为磁偶极矩，N代表线圈匝数，L表示线圈长度，R是负载电阻；
S4：将计算流体动力学模型与所述结构动力学模型相结合进行流固耦合数值计算；通过纽马克数值积分的方法求解电磁力与非线性回复力作用下涡激振动的结构动力学模型，能够得到所述柱体振动的位移、速度和加速度；
判断是否达到终止时间，若未达到终止时间，更新流场网格，在更新后的网格上重复步骤S3–S4，进行下一时间步的求解；
S5：模拟达到终止时间后，对计算数据进行后处理，得到柱体涡激振动的响应及能量转换特性。
2.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S1中，所述外流场计算域的几何模型依据所述柱体结构的几何尺寸建立，所述外流场计算域为将所述柱体结构包围在内的长方体区域，所述柱体结构的上游为自由来流区域，下游为发生旋涡脱落的尾迹区域。
3.根据权利要求2所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S2中，所述的柱体部件网格采用O型贴体网格的划分策略，部件网格区域为与柱体结构同心的圆柱；对所述外流场计算域背景网格进行划分时，对所述柱体附近及所述尾迹区域的网格进行加密；
所述柱体部件网格与所述外流场计算域背景网格均使用结构化网格，采用重叠网格技术，对所述柱体内部的网格进行挖洞，将重叠部分不参与计算的网格进行识别，并在计算时不予考虑；
通过边缘网格进行插值，流场信息能够在所述柱体部件网格与外流场计算域背景网格之间传递。
4.根据权利要求3所述的数值模拟方法，其特征在于：对步骤S2中所述柱体表面沿径向的第一层网格高度满足y + ≤ 1，顺流向和展向的网格尺寸分别满足50 ≤ x + ≤ 150，15≤ z + ≤ 40，利用距离权重函数完成网格间流场信息的插值：
式中： r 是受体单元处的流场变量，M为供体单元的数量， i 表示供体单元i处的流场变量，d i 代表供体单元i和受体单元之间的距离。
5.根据权利要求4所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S3还包括：
利用计算流体动力学的方法，柱体周围流场使用非定常不可压缩纳维-斯托克斯方程进行求解，湍流采用大涡模拟局部涡黏度壁面自适应模型。
6.根据权利要求5所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S3中，
流体控制方程的离散运用有限体积法，利用PIMPLE算法处理压力速度耦合，瞬态项的离散采用隐式二阶向后格式，对流项的离散格式为二阶线性迎风稳定输运格式，选取自适应时间步长，以满足Courant-Friedrichs-Lewy条件，使得最大库朗特数Co max < 1。
7.根据权利要求6所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S3中还包括确定初始条件和边界条件，并初始化计算参数，开展数值模拟；
通过对作用于柱体表面的压力和黏性力进行积分，计算所述柱体受到的流体力，将所述流体力带入到所述结构动力学模型。
8.根据权利要求7所述的数值模拟方法，其特征在于：涡激振动潮流能发电装置采用永磁直线发电机进行能量转换，永磁直线发电机电磁力的本质为变阻尼系数的阻尼力，
确定所述边界条件包括：入口边界采用速度入口边界条件，出口边界使用压力出口边界条件，横向边界条件运用自由滑移边界条件，所述柱体表面为无滑移边界条件，展向边界采用周期性边界条件；
所述柱体初始处于静止状态。
9.根据权利要求1所述的数值模拟方法，其特征在于：在步骤S4中，所采用的纽马克法将第n步到第n + 1步的位移、速度和减速度以如下方式联系起来：
选取适合的积分参数β = 1/4，γ = 1/2，使得数值积分方法无条件稳定且具有二阶精度。
10.根据权利要求9所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S5中所述后处理包括：提取所述柱体的位移、速度响应及所受到的流体力，由电磁力与振动速度的乘积得到柱体的能量转换功率，利用时均功率与柱体扫掠流体所蕴含的总能量的比值计算装置的能量转换效率，运用CFD的流场可视化技术，研究柱体的三维尾涡结构与各展向截面的泻涡模式。
11.根据权利要求10所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S5中所述柱体涡激振动的能量转换效率使用下式计算：
其中，为时均功率，ρ表示流体密度，U代表自由来流速度，A y 为柱体振动最大振幅，D是圆柱直径，H表示圆柱展向长度，运用λ 2准则对柱体三维尾涡结构进行识别，各展向截面的泻涡模式采用涡量场表示。
12.根据权利要求11所述的数值模拟方法，其特征在于：步骤S1中所述外流场计算域入口边界与所述柱体重心之间的距离大于或等于10倍柱体直径，所述外流场计算域两横向边界与所述柱体重心之间的距离大于或等于10倍柱体直径，所述外流场计算域出口边界与所述柱体重心的距离大于或等于30倍柱体直径，展向长度与所述柱体直径之比根据所要模拟的涡激振动潮流能发电装置柱体长度确定。
13.一种涡激振动潮流能发电装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序可被处理器执行以实现如权利要求1-12任一项所述的方法。
14.一种计算机可读介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序可被读取以实现如权利要求1-12任一项所述的方法。
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