CN116011300A - 一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，属于海洋能利用领域。针对现有技术中存在的“气动载荷和水动力载荷均为单独考虑或着重研究其中之一将另一载荷简化”、“波浪能发电装置与海上风机间限位约束的表达形式在以往的研究中通常被简化或被忽视”的问题，本申请通过建立装置的三维模型并有效串联风浪耦合与多体耦合过程，构建风浪联合获能装置的全过程耦合模型，对于指导风浪联合获能装置的整体优化开发、合理预估工作性能。

Description

一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法

技术领域

本发明涉及一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，属于海洋能利用领域。

背景技术

海上风能和波浪能作为绿色能源，具有储量丰富、分布广泛等明显优势。近年来，海上风电发展迅猛，机组安全性、可靠性、经济性不断提高。波浪能历经三十余年探索，逐步研发出结构灵活、环境适应性强的振荡体式装置，但单机功率小、度电成本高等不利因素制约了其商业化推广。风、浪存在伴生关系，具有能源同时捕获的可行性。因此，风浪联合获能装置的应用将有效发挥海上风电的成熟技术优势，充分利用波浪能装置消波获能及运动补偿作用，实现平台共享、多能互补、降本增效的目标。海洋能源开发从浅海走向深海，风浪联合获能装置成为必然趋势。该类机组并非风力机与波浪能装置的简单叠加，而是协同工作的有机整体，故存在复杂的风-浪耦合、流-固耦合及多体耦合作用。目前，全球范围内有关风浪联合获能装置的研究仍处于探索阶段，风-浪-流多重作用下的获能体耦合机理尚未明晰。给出一体化全过程风浪耦合与多体耦合数值模拟设计方案，实现运动与获能的平衡，达到参数配置的优化，是亟需解决的关键问题。

风浪联合获能装置主要包括波浪能发电装置、风机基础、风力涡轮机、系泊系统和波浪能发电装置与风机间的限位传动机构，从而使波能装置与风机产生相对运动。这种相对运动对于海上风机的稳定性既可产生积极影响，亦可导致消极作用，故需深入研究协同机理，充分利用协同增效条件，同时提高联合机组获能效率及安全可靠性。

在以往的研究中，气动载荷和水动力载荷均为单独考虑或着重研究其中之一将另一载荷简化，这一研究方法并不能真实地模拟风浪联合获能装置在真实海况下的运动响应与获能特性。例如风浪联合获能装置的时域运动响应机理的研究中，大多采用恒定的推力和扭矩代替具有时变效应的气动载荷施加到装置上，不仅忽略了风力作用下的真实效应，同时忽略了波浪与风之间的耦合关系，没有考虑风对于波浪环境的影响与波浪对于风的影响。

此外，波浪能发电装置与海上风机间限位约束的表达形式在以往的研究中通常被简化或被忽视，这一研究方法往往忽视了波浪能发电装置的局部坐标系与整体装置的全局坐标系之间的关系，波浪能发电装置PTO反力及自由度限位约束关系难以得到真实的模拟，例如在垂荡式波能装置对风机的运动响应影响机理的研究中，垂荡式波能装置与海上风机之间垂向运动的约束、轴向PTO反力的加载都难以在风浪共同作用下实现模拟。无法反映装置的真实工作状态，波浪能发电装置最终的发电性能预测多为研究过程的简单线性叠加，导致效率预测失准，难以满足准确预测装置实海况工作性能的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的“气动载荷和水动力载荷均为单独考虑或着重研究其中之一将另一载荷简化”、“波浪能发电装置与海上风机间限位约束的表达形式在以往的研究中通常被简化或被忽视”的问题，本申请提出一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，通过有效串联风浪耦合与多体耦合过程，构建风浪联合获能装置的全过程耦合模型，对于指导风浪联合获能装置的整体优化开发、合理预估工作性能。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是，一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，包括以下步骤：

1)根据风浪联合获能装置的实际尺寸，生成其三维几何模型；将生成的三维几何模型导入到ANSYS-AQWA软件中，并在ANSYS中的模型前处理程序中进行前处理；

所述风浪联合获能装置包括系泊系统、海上风机、波浪能发电装置；

2)在ANSYSAQWA中分别对风浪联合获能装置的海上风机、波浪能发电装置进行质量属性以及相关水动力系数的设置；

3)将几何模型进行网格划分；

4)定波浪方向，确定多体耦合对象组别，确定频域求解的波频区间及波频差分设置；

5)进行频域求解；几何模型频域计算求解的控制方程为在线性势流理论和莫里森方程，在波浪中运动的浮体所承受的载荷可以通过入射势、衍射势和辐射势来求解；

6)对风浪联合获能装置的系泊系统、波浪能发电装置与风机基础间的限位约束系统进行设置；

7)在时域内对入射波条件、潮流属性、初始位置、自由度锁定、时间步长、仿真时长进相关设置,并对风浪联合获能装置进行预求解；

8)时域求解结束后，ANSYSAQWA将在相关目录中生成一个时间响应文件Timeresponse.dat,并将时间响应文件拷贝到另一个目录；

9)将Timeresponse.dat文件中的的user_force接口打开，并根据实际情况设置仿真需要的波浪条件、计算时间步长和迭代步数：

10)在FAST中对风机涡轮机及叶片属性、气动环境、塔筒属性、伺服控制系统进行设置；

11)将开源软件F2A使用的动态链接库文件放入ANSYSAQWA的运行目录下，运行F2A,完成计算，获得结果数据。

优化的，上述风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，在步骤1)中，将建立好的几何模型转化为面元属性模型；设置水线位置，设置风浪联合获能装置中的莫里森单元结构。

优化的，上述风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，在步骤5)中，当频域计算结束时，ANALYSIS.HYD文件和ANALYSIS.AH1文件生成,ANALYSIS.HYD文件和ANALYSIS.AH1文件中包含水动力数据，水动力数据包括附加质量、静水刚度、辐射阻尼和激励力。

优化的，上述风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，步骤6)中，系泊系统通过connection模块中的cable功能进行设置；所述波浪能发电装置与风机基础间的限位约束为铰接约束或者轴向垂荡限位约束；铰接约束通过joint功能实现，轴向垂荡限位约束通过ANSYS-AQWA中的传统船舶护舷数值模拟模块实现。

优化的，上述风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，步骤3)中，网格的划分只针对涉水单元，风力涡轮机等不受水动力载荷的影响，不列入计算；网格划分的网格数量小于等于40000，网格的尺寸限制频域求解中所选波频的上限。

优化的，上述风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，在步骤5)中，在频域求解计算中考虑液体的粘度，其中水动力载荷是由于加速度引起的惯性载荷和由于粘性效应引起的摩擦载荷的总和。

优化的，上述风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，步骤11)中，获得的结果数据包括波浪能发电装置及风机在六自由度上的运动速度与位移、波面高程、风速、叶片转速、气动推力、气动扭矩等。

本申请的有益效果为：充分考虑波浪能发电装置与海上风机之间的相互作用以及风浪流共同作用下耦合关系，使用开源软件F2A将擅长多体运动和水动力学载荷求解的ANSYSAQWA和擅长空气动力学载荷求解的FAST联接，并在ANSYSAQWA中实现波浪能发电装置与海上风机之间常见的几种限位约束，实现全过程的气动-水动-多体-伺服耦合模拟，可准确预测风浪联合获能装置的全过程工作性能，更加真实的反映风浪联合获能装置的工作状态，解决了现有技术忽略气动载荷和约束限位关系对装置性能预测失准的问题。利用数值模拟不受比尺条件限制的优点，可直接构建原型比尺的装置模型，对工程装置在实海况条件下的工作性能做出直接预测。

附图说明

图1为本申请的流程图；

图2为用以验证本专利提出的方法的风浪联合获能装置的三维几何模型示意图；

图3为三维几何模型的网格划分示意图；

图4为三维几何模型中系泊设置示意图；

图5为使用本专利介绍全耦合仿真方法和已公开的风浪耦合仿真方法的平台水动力响应(平台在x,ry,z自由度上的运动响应与系泊力变化)对比图；

图6为使用本专利介绍全耦合仿真方法和已公开的风浪耦合仿真方法的平台水动力响应(平台在x,ry,z自由度上的运动响应与系泊力变化)对比图的统计值分析表。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明的技术特点。

本发明提供一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其整体装置为已经公开的DWC(DeepCwind-Wavestar-Combined)，用以验证该仿真方法的正确性及可行性，包括如下步骤：

步骤1)根据所需模拟的风浪联合获能装置的实际尺寸，绘制风浪联合获能装置的三维几何模型。

如图1所示，该三维几何模型由风力涡轮机1、波浪能发电装置2以及风机基础3三部分组成。

此实施例中，风力涡轮机可以采用美国可再生能源实验室NREL的5MW风力涡轮机，风机基础可以采用欧洲OC4项目的Deepcwind风机基础，波浪能发电装置可以采用典型点吸收式波能装置Wavestar。

将建立好的几何模型转化为面元属性模型,即块体转换为壳体。设置水线位置，设置装置中的莫里森单元结构。

步骤2)在ANSYS-AQWA中分别对海上风机和波浪能发电装置进行质量属性以及相关水动力系数的设置，主要包括转动惯量，质量，重心，浮心，附加质量，附加阻尼系数等参数。

步骤3)将上述几何模型进行网格划分；，网格的划分只需针对涉水单元，风力涡轮机等不受水动力载荷的影响，可不列入计算，其网格的数量最大不得超过40000，网格的尺寸将会限制频域求解中所选波频的上限。

步骤4)确定波浪方向，确定多体耦合对象组别，确定频域求解的波频区间及波频差分设置。

步骤5)进行频域求解：

模型频域计算求解的控制方程为在线性势流理论和莫里森方程，在波浪中运动的浮体所承受的载荷可以通过入射势、衍射势和辐射势来求解，势流理论可以有效地求解线性波辐射产生的附加质量和辐射阻尼以及线性衍射产生的入射波激励。

莫里森方程用于求解细长海洋结构上的水动力载荷(当特征长度与波长之比小于或等于0.2时)，与势流理论不同，莫里森方程假设结构的存在不影响波动特性。因此，在计算中也考虑了液体的粘度，其中水动力载荷是由于加速度引起的惯性载荷和由于粘性效应引起的摩擦载荷的总和。

当频域计算结束时，ANALYSIS.HYD(二进制类型)和ANALYSIS.AH1(ASCII类型)将在相应的目录中生成,这两个文件包含了水动力数据，包括附加质量、水静刚度、辐射阻尼和激励力。保存HYD文件中的数据将用于时域分析。

步骤6)对系泊系统和波浪能装置与风机基础间的限位约束系统进行设置：

系泊系统通过connection模块中的cable功能进行设置。

波浪能装置与风机基础间的限位约束主要存在铰接和轴向垂荡限位两种形式，铰接约束可通过joint功能实现，轴向垂荡限位约束可利用ANSYS-AQWA中的传统船舶护舷数值模拟模块实现，即fender模块，通过fender的设置，可以在始终保持轴向PTO反力的加载的前提下，限定波浪能发电装置始终沿风机基础的立柱轴向运动，保持波浪能发电装置的局部坐标系始终同海上风机的局部坐标系一致。

步骤7)在时域内对入射波条件、潮流属性、初始位置、自由度锁定、时间不长、仿真时长进相关设置,并对风浪联合获能装置进行预求解。

步骤8)时域求解结束后，ANSYSAQWA将在相关目录中生成一个时间响应文件Timeresponse.dat,并将时间响应文件拷贝到另一个目录。

步骤9)将Timeresponse.dat文件中的的user_force接口打开，并根据实际情况设置仿真需要的波浪条件、计算时间步长和迭代步数。

步骤10)在FAST中对风机涡轮机及叶片属性、气动环境、塔筒属性、伺服控制系统进行设置。

步骤11)将开源软件F2A使用的动态链接库文件放入ANSYSAQWA的运行目录下，运行F2A,完成计算，获得结果数据，包括波浪能发电装置及风机在六自由度上的运动速度与位移、波面高程、风速、叶片转速、气动推力、气动扭矩等。

为了验证本发明方法结果的可靠性与准确性,申请人开展了可行性对比试验,将已被公开的DWC装置进行的风浪耦合数值仿真结果与运用本专利介绍的全过程数值模拟方法结果进行对比。

图4和图5分别为使用本专利介绍全耦合仿真方法和已公开的风浪耦合仿真方法的平台水动力响应(平台在x,ry,z自由度上的运动响应与系泊力变化)对比图与对比结果误差分析图。可以看出,本专利介绍全耦合仿真方法的结果与已公开的风浪耦合仿真方法的数值计算结果符合良好,可认为本发明方法构建的数值模型能够较为真实地模拟风浪联合获能装置的运动响应,并可对装置的全过程工作性能做出准确预测

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据风浪联合获能装置的实际尺寸，生成其三维几何模型；将生成的三维几何模型导入到ANSYS-AQWA软件中，并在ANSYS中的模型前处理程序中进行前处理；

所述风浪联合获能装置包括系泊系统、海上风机、波浪能发电装置；

2)在ANSYSAQWA中分别对风浪联合获能装置的海上风机、波浪能发电装置进行质量属性以及相关水动力系数的设置；

3)将几何模型进行网格划分；

4)定波浪方向，确定多体耦合对象组别，确定频域求解的波频区间及波频差分设置；

5)进行频域求解；几何模型频域计算求解的控制方程为在线性势流理论和莫里森方程，在波浪中运动的浮体所承受的载荷可以通过入射势、衍射势和辐射势来求解；

6)对风浪联合获能装置的系泊系统、波浪能发电装置与风机基础间的限位约束系统进行设置；

7)在时域内对入射波条件、潮流属性、初始位置、自由度锁定、时间步长、仿真时长进相关设置,并对风浪联合获能装置进行预求解；

8)时域求解结束后，ANSYSAQWA将在相关目录中生成一个时间响应文件Timeresponse.dat,并将时间响应文件拷贝到另一个目录；

9)将Timeresponse.dat文件中的的user_force接口打开，并根据实际情况设置仿真需要的波浪条件、计算时间步长和迭代步数：

10)在FAST中对风机涡轮机及叶片属性、气动环境、塔筒属性、伺服控制系统进行设置；

11)将开源软件F2A使用的动态链接库文件放入ANSYSAQWA的运行目录下，运行F2A,完成计算，获得结果数据。

2.根据权利要求1所述的风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤1)中，将建立好的几何模型转化为面元属性模型；设置水线位置，设置风浪联合获能装置中的莫里森单元结构。

3.根据权利要求1所述的风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤5)中，当频域计算结束时，ANALYSIS.HYD文件和ANALYSIS.AH1文件生成,ANALYSIS.HYD文件和ANALYSIS.AH1文件中包含水动力数据，水动力数据包括附加质量、静水刚度、辐射阻尼和激励力。

4.根据权利要求1所述的风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：步骤6)中，系泊系统通过connection模块中的cable功能进行设置；所述波浪能发电装置与风机基础间的限位约束为铰接约束或者轴向垂荡限位约束；铰接约束通过joint功能实现，轴向垂荡限位约束通过ANSYS-AQWA中的传统船舶护舷数值模拟模块实现。

5.根据权利要求1所述的风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：步骤3)中，网格的划分只针对涉水单元，风力涡轮机等不受水动力载荷的影响，不列入计算；网格划分的网格数量小于等于40000，网格的尺寸限制频域求解中所选波频的上限。

6.根据权利要求1所述的风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤5)中，在频域求解计算中考虑液体的粘度，其中水动力载荷是由于加速度引起的惯性载荷和由于粘性效应引起的摩擦载荷的总和。

7.根据权利要求1所述的风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：步骤11)中，获得的结果数据包括波浪能发电装置及风机在六自由度上的运动速度与位移、波面高程、风速、叶片转速、气动推力、气动扭矩等。

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