CN117131637B - 漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法 - Google Patents
漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117131637B CN117131637B CN202311398994.2A CN202311398994A CN117131637B CN 117131637 B CN117131637 B CN 117131637B CN 202311398994 A CN202311398994 A CN 202311398994A CN 117131637 B CN117131637 B CN 117131637B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- wind turbine
- simulation
- floating
- module
- simulation module
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 204
- 238000007667 floating Methods 0.000 title claims abstract description 178
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 81
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 58
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 41
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 41
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 26
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 24
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims description 16
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 14
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010248 power generation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 230000006854 communication Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000007175 bidirectional communication Effects 0.000 description 1
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/10—Geometric CAD
- G06F30/17—Mechanical parametric or variational design
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
- G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2111/00—Details relating to CAD techniques
- G06F2111/10—Numerical modelling
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F2113/00—Details relating to the application field
- G06F2113/06—Wind turbines or wind farms
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/70—Wind energy
- Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
Abstract
本发明公开了一种漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法，属于海上风能发电领域，通过建立并耦合风力机仿真模块，响应、荷载传递模块，漂浮式平台仿真模块，实现气动‑水动‑伺服‑弹性的全过程模拟，可高效准确评估漂浮式风力机的整体动力学行为。本发明所提出的系统能够将风力机仿真模拟与主流浮体时域计算软件相连接，弥补了当前技术在漂浮式平台模拟保真度方面的不足，并具备更强的兼容性与适用性；所提出的方法为漂浮式风力机的设计和性能优化提供了强有力的工具，有望推动漂浮式风力机的实践应用进程。
Description
技术领域
本发明属于海上风能发电领域，尤其是一种漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法。
背景技术
海洋能源储量丰富、分布广泛，其中海上风能凭借能量密度高、湍流强度小、地形气候适应强等特点备受青睐，逐渐成为风电市场的发展重心。随着技术成熟度的提高，海上风能开发逐渐从近海走向远海，采用漂浮式风力机捕获深远海丰富稳定的风能资源以降低度电成本将是海上风电发展的必然方向。
漂浮式风力机是由风力机、漂浮式平台和系泊系统组成的海洋结构物系统，受风-浪-流多重环境荷载的耦合作用，其整体动力学响应具有明显的非稳态特性，且刚体与柔体的多约束结合进一步加剧了漂浮式风力机动力学研究的难度。常见的研究方法包括原型实测、模型试验和数值仿真，前两者方法能够较为准确捕获漂浮式风力机的动态行为，但成本高昂、周期漫长。得益于空气动力学、水动力学、结构动力学、多体运动学及数值计算方法的发展，高效、低廉的数值仿真成为了漂浮式风力机动力学研究的主要手段。
漂浮式风力机的数值仿真涉及内容广泛，主要包括上部风力机气动力学，下部漂浮式平台水动力学、系泊动力学，以及整体结构动力学的仿真。为准确评估漂浮式风力机动力学效应，将合适的仿真软件或模块连接在一起，构建高保真混合数值仿真系统显得尤为必要。然而，如何理清不同模块间的耦合关系，建立高效的数据传输通道，进而实现漂浮式风力机动态响应的准确评估是该领域亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法，通过建立高效的数据传输通道，耦合不同仿真模块与软件，准确模拟漂浮式风力机的动力学行为。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种漂浮式风力机混合数值仿真系统，以Fortran、Matlab及Python语言编写，包括：
风力机仿真模块，在基于Fortran语言开发的开源风力机模拟软件OpenFAST中依据预定义参数文件建立上部风力机的数值模型，完成气动荷载作用下上部风力机的动力学分析，并修改开源风力机模拟软件OpenFAST，使其能够输出塔筒基部的力与力矩，并将塔筒轴线方向参考点处的位移、速度和加速度以外部输入位移、速度和加速度进行替换取代，以考虑漂浮式平台运动给上部风力机结构带来的惯性力与力矩。
漂浮式平台仿真模块，采用稳定成熟的浮体时域计算软件，建立漂浮式平台的数值模型，并接收外部输入由于上部风力机存在所引起施加在漂浮式平台重心处的额外内部力与力矩，进而求解漂浮式平台运动响应方程得到波浪、海流荷载下平台重心处的运动位移、速度。
响应、荷载传递模块，该模块基于动态链接库和Matlab或Python建立不同仿真软件间的数据传输通道，实现风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块的相互耦合，具体而言，该模块在每一求解时间步内接收风力机仿真模块输出的塔筒基部内部力与力矩，通过力与力矩的平移叠加及空间坐标转换，将塔筒基部内部力与力矩转换成漂浮式平台重心处的力与力矩，并将其传递给漂浮式平台仿真模块；该模块接收漂浮式平台仿真模块输出漂浮式平台重心处的运动位移和速度，将其转换至风力机仿真模块中塔筒轴线方向参考点处的运动位移和速度，并计算得到响应的加速度，后将其传递给风力机仿真模块，进而实现上部风力机和下部漂浮式平台运动方程的耦合求解，完成漂浮式风力机整体动力学行为的准确实时评估。
也可以是，本发明中所述漂浮式平台仿真模块中浮体时域计算软件允许在每一时间步下输出漂浮式平台重心处的运动位移、速度，以及接受额外的力和力矩，并将其纳入平台运动响应方程的求解中。
漂浮式风力机的混合数值仿真方法，包括以下步骤：
步骤1），对OpenFAST软件进行修改，构建风力机仿真模块，在每一时间步下求解风力机动力学与运动学结果。
步骤1-1），在开源软件OpenFAST的Fortran工程项目包，新建一个任意命名的动态链接库子工程项目，并在其下新建一个任意命名的SUBROUTINE子例程源代码文件，并定义传入变量与传出变量，传入变量包括但不限于模拟状态，求解步进次数，求解时间步长，塔筒参考点处的位移、速度、加速度，传出变量包括但不限于塔筒基部的内部力与力矩。
步骤1-2），插入相应的伪注释语句，声明所建SUBROUTINE子例程在动态链接库外可被按C调用约定进行调用，并将传入变量与传出变量指定为引用传递，以供所生成的动态链接库文件能够被Matlab与Python调用传参。
步骤1-3），在SUBROUTINE子例程源代码文件中写入驱动OpenFAST进行风力机仿真模块的代码，依据输入模拟状态变量信息，依次驱动OpenFAST中已有初始化仿真模块读入风力机仿真预定义信息，初始化相应的求解变量；驱动已有的时间步进求解模块，依据步进推进次数求解风力机动力学方程；驱动已有的仿真终止模块，结束风力机仿真进程。
步骤1-4），对OpenFAST已有ElastonDyn模块进行修改，接受所输入加速度以考虑平台运动对上部风力机各结构带来的惯性力，并在风力机运动响应步进求解过程中将输入位移与速度分别赋值给沿塔筒轴线方向参考点处的位移与速度，以实现平台运动与风力机运动的耦合统一。
步骤1-5），将保存风力机仿真的实时数据的变量属性改为SAVE，以记忆每次步进求解涉及的变量信息，并将新建的Fortran工程项目与OpenFAST原有的工程项目建立依赖关系，实现不同工程文件中参量、函数的共享共用。
步骤1-6），编译Fortran动态链接库工程项目，生成文件名后缀为.dll的动态链接库文件，供响应、荷载传递模块调用。
步骤2），基于Matlab或Python搭建响应、荷载传递模块，作为数据传输通道，耦合风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块。
步骤2-1），建立响应、荷载传递模块与风力机仿真模块间的数据通道，本发明在此公开两种不同方法，一是在Matlab中利用loadlibrary加载步骤1）生成的动态链接库文件，并通过calllib调用所建立子例程函数，向其风力机仿真模块传入、传出变量；二是在Python中通过Ctypes库中的cdll.LoadLibrary加载步骤1）生成的动态链接库文件，设置子例程函数中的传入变量和传出变量类型，最后直接调用该子例程函数。
步骤2-2），建立响应、荷载传递模块与漂浮式仿真平台间的数据通道，常见用于模拟漂浮式平台的浮体时域计算软件一般具有Matlab或Python数据接口，允许传出漂浮式平台重心处的位移、速度，传入自定义作用在重心处的外部力和力矩。因此，将本发明建立的响应、荷载传递模块可与其数据接口直接相连。
步骤2-3），处理风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块的传出变量数据，将风力机仿真模块传出塔基局部坐标系下的内部力与力矩转换为全局坐标系下作用在平台重心处的力与力矩；将漂浮式平台仿真模块传出的平台重心处的位移与速度转换至沿塔筒轴线方向参考点处的位移与速度。
步骤2-4），向风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块传入变量数据，分别将从漂浮式平台仿真模块处理得到的沿塔筒轴线方向参考点处的位移与速度，和从风力机仿真模块处理得到作用于平台重心处的力与力矩经过对应的数据传输通道传递给风力机仿真模块和漂浮式平台仿真模块。
步骤3），以漂浮式平台仿真模块为中枢，连接风力机仿真模块与响应、荷载传递模块，通过时间步推进求解各自的运动响应方程组，得到漂浮式风力机整体的时程动力学行为。
步骤3-1），在漂浮式平台仿真模块中驱动响应、荷载传递模块，进而由响应荷载传递模块驱动风力机仿真模块，实现各模块的闭环耦合。
步骤3-2），依据漂浮式平台仿真模块与风力机仿真模块求解时间步长，确定风力机仿真模块每次被调用的求解步进次数。
本发明的有益效果是：
本发明通过建立并耦合风力机仿真模块，响应、荷载传递模块，漂浮式平台仿真模块，实现气动-水动-伺服-弹性的全过程模拟，可高效准确评估漂浮式风力机的整体动力学行为。本发明所提出的系统能够将风力机仿真模拟与主流浮体时域计算软件相连接，弥补了当前技术在漂浮式平台模拟保真度方面的不足，并具备更强的兼容性与适用性；所提出的方法为漂浮式风力机的设计和性能优化提供了强有力的工具，有望推动漂浮式风力机的实践应用进程。
附图说明
图1是示出本发明混合仿真系统的结构示意图；
图2是示出本发明中不同模块间通信关系图；
图3是示出示例中漂浮式风力机示意图；
图4是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的漂浮式风力机纵荡方向自由衰减运动响应对比图；
图5是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的漂浮式风力机横荡方向自由衰减运动响应对比图；
图6是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的漂浮式风力机垂荡方向自由衰减运动响应对比图；
图7是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的漂浮式风力机横摇方向自由衰减运动响应对比图；
图8是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的漂浮式风力机纵摇方向自由衰减运动响应对比图；
图9是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的漂浮式风力机艏摇方向自由衰减运动响应对比图；
图10是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的规则波和稳态风环境下漂浮式风力机纵荡位移的时程对比图；
图11是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的规则波和稳态风环境下漂浮式风力机垂荡位移的时程对比图；
图12是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的规则波和稳态风环境下漂浮式风力机纵摇位移的时程对比图；
图13是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的规则波和稳态风环境下漂浮式风力机气动推力的时程对比图；
图14是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的规则波和稳态风环境下漂浮式风力机发电功率的时程对比图；
图15是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的随机波和湍流风环境下漂浮式风力机纵荡位移的时程对比图；
图16是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的随机波和湍流风环境下漂浮式风力机垂荡位移的时程对比图；
图17是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的随机波和湍流风环境下漂浮式风力机纵摇位移的时程对比图；
图18是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的随机波和湍流风环境下漂浮式风力机气动推力的时程对比图；
图19是示出使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的随机波和湍流风环境下漂浮式风力机发电功率的时程对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
在此公开一种漂浮式风力机的混合数值仿真系统，以Fortran、Matlab及Python语言编写，如图1所示，包括风力机仿真模块，漂浮式平台仿真模块和响应、荷载传递模块。风力机仿真模块是对现有开源风力机仿真软件OpenFAST修改得到的，能够依据风力机的具体形式构建相应的数值仿真模型，得到风力机动力学仿真结果；漂浮式平台仿真模块利用现有成熟的浮体时域计算软件依据漂浮式平台的具体形式构建相应的数值仿真模型，得到漂浮式平台动力学仿真结果；响应、荷载传递模块则是基于Matlab或Python的相应函数，串联风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块，完成二者仿真数据的耦合交换，如图2所示。以下结合具体方法来阐述本发明的混合仿真系统。
在开源软件OpenFAST的Fortran工程项目包，新建名为OpenFAST_Wind_Turbine的Dynamic-link Library（动态链接库）子工程项目，在其自动创建的Source Files文件夹下新建添加名为OpenFAST_WT的SUBROUTINE子例程源代码Fortran文件。定义OpenFAST_WT子例程函数的传入变量和传出变量，传入变量至少包括模拟状态，求解步进次数，求解时间步长，全局坐标系下塔筒轴向方向参考点处的位移、速度、加速度；传出变量至少包括塔筒局部坐标下塔筒基部的内部力与力矩。
定义完OpenFAST_WT子例程函数的传入和传出变量后，插入伪代码语句，声明所建OpenFAST_WT子例程函数在动态链接库外可被C调用约定进行调用，并将传入和传出变量指定为引用传递，以供所生成的动态链接库文件能够被Matlab或Python调用传参，伪代码语句示例如下：
!DEC$ ATTRIBUTES C,DLLEXPORT :: 子例程函数名（OpenFAST_WT）
!DEC$ ATTRIBUTES REFERENCE :: 传入变量1，传入变量2，……
!DEC$ ATTRIBUTES REFERENCE :: 传出变量1，传出变量2，……
在OpenFAST_WT子例程源代码文件中写入驱动OpenFAST实现风力机仿真各个模块的代码，依据传入变量模拟状态的信息，依次进行初始化、步进求解、终止仿真。例如当传入变量模拟状态值为0时，驱动OpenFAST中已有的初始化仿真模块FAST_InitializeAll_T和FAST_Solution0_T，读入包含风力机模型参数和仿真控制的指定名称的主文件，初始化相应风力机仿真过程中设计的变量；当传入变量为1时，驱动OpenFAST中已有的风力机动力学求解模块FAST_Solution_T求解风力机动力学方程，得到每一时间步下的运动响应及荷载结果，此外，驱动FAST_Solution_T的迭代次数等于传入变量步进次数，并记录仿真模拟的总步进次数，其与预定义时间步长相乘则为当前的仿真时间进程；而当传入变量为2时，驱动OpenFAST中已有的风力机仿真终止模块ExitThisProgram_T结束风力机仿真进程。
对OpenFAST已有的ElastonDyn模块进行修改，在该模块下已有的ED_CalcContStateDeriv子例程与FixHSSBrTq子例程中接受传入变量塔筒轴向方向参考点处加速度，以考虑下部平台运动对上部风力机各结构带来的惯性力；ElastonDyn模块中通过ED_RK4、ED_AB4、ED_ABM4三个子例程求解、预测、校正风力机的运动响应，在以上三个子例程中将塔筒轴向方向参考点处位移和速度替换为传入变量的位移和速度，已实现平台运动与风力机运动的耦合统一。
将OpenFAST中保存风力机仿真实时数据的Turbine变量的属性改为SAVE，以记忆每次步进求解设计的变量信息，并将所新建的OpenFAST_Wind_Turbine动态链接库子工程项目与OpenFAST原有的工程项目FASTlib建立依赖关系，实现不同工程项目中参量、函数的共享共用。
编译所新建的OpenFAST_Wind_Turbine动态链接库子工程项目，得到动态链接库文件OpenFAST_WT.dll，以供响应、荷载传递模块调用。
本发明中响应、荷载传递模块可通过Matlab和Python进行构建，以实现风力机仿真模块与漂浮式仿真平台间的通信，以下结合实例进行说明
[Matlab]
对于具有Matlab数据传输接口的浮体时域计算软件，基于Matlab建立响应、荷载传递模块。首先使用Matlab自带函数loadlibrary加载所生成的动态链接库文件OpenFAST_WT.dll，并利用Matlab自带函数calllib调用动态链接库中的输出子例程函数OpenFAST_WT以驱动风力机仿真模块。响应、荷载传递模块从OpenFAST_WT子例程函数中接收风力机仿真模块传出的塔筒局部坐标系下塔筒基部内部力与力矩，从浮体时域计算软件中接收漂浮式平台仿真模块传出的平台重心处的位移与速度，通过相应Matlab函数对以上传入变量进行处理。具体而言，由于塔筒基部与漂浮式平台的刚性连接关系，可将塔筒局部坐标系下塔筒基部的内部力与力矩通过力与力矩平移、欧拉角旋转矩阵转换为惯性坐标系下平台重心处的力与力矩；同时，将漂浮式平台仿真模块传出的平台重心处的位移与速度通过欧拉角旋转矩阵转换为沿塔筒轴线方向参考点处的位移与速度，并基于当前时间步速度与上一时间步的速度计算得到沿塔筒轴线方向参考点处的加速度。完成上述数据处理后，Matlab将所得到的惯性坐标系下平台重心处的力与力矩返回给浮体时域计算软件，完成与漂浮式平台仿真模块的双向通信；将所得到的沿塔筒轴线方向参考点处的位移、速度与加速度通过OpenFAST_WT子例程函数返回给风力机仿真模块，完成与风力机仿真模块的双向通信。
[Python]
对于具有Python数据传输接口的浮体时域计算软件，基于Python建立响应、荷载传递模块。首先加载Python中的Ctypes库函数，使用该库函数下的cdll.LoadLibrary加载所生成的动态链接库文件OpenFAST_WT.dll，可直接调用输出子例程函数OpenFAST_WT以驱动风力机仿真模块。后续过程与上文所述基于Matlab所建立的响应、荷载传递模块相一致。
现有常见浮体时域仿真软件通常具备Matlab或Python数据接口，如Ansys-AQWA、WEC-Sim等软件，均可依据对漂浮式平台模拟精度的要求，选择其一进行漂浮式平台仿真模块的构建。在漂浮式平台仿真模块选用的浮体时域分析软件能够在每一求解时间步通过其Matlab或Python数据接口中返回漂浮式平台重心出的位移与速度，接收平台重心处额外施加的力与力矩，并将其添加至漂浮式平台运动响应方程的求解中。漂浮式仿真模块的求解时间步长应不小于风力机仿真模块的时间步长，且为后者的整数倍。漂浮式仿真模块时间步长与风力机仿真模块的时间步长比值为在漂浮式仿真平台一个时间步求解过程中，驱动风力机仿真模块的求解步进次数。
以下结合具体实施例进行详细说明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。此外，各种浮体时域计算软件作为现有的成熟技术，理论上均可作为本发明的漂浮式平台仿真模块，但浮体时域计算软件多样，穷举不切实际，因此，本发明仅以Ansys-AQWA为例详细介绍操作过程，但本发明不限于此，其他浮体时域计算软件与本发明所述系统和方法相结合的漂浮式风力机混合数值仿真理应在本发明保护范围之内。
在具体实施过程中，应用本发明方法对一种典型的漂浮式风力机进行了模拟，风力机采用美国可再生能源实验室NREL的5MW风力机，漂浮式平台采用欧洲OC4项目的Deepcwind漂浮式平台，如图3所示。首先依据上述风力机和漂浮式平台信息，在风力机仿真模型和漂浮式平台仿真模块中建立响应的数值仿真模型。启动AQWA软件开始对漂浮式平台进行计算，在同一求解计算步内，通过其Python数据接口，驱动响应、荷载传递模块，进而由响应、荷载传递模块通过加载风力机仿真模块生成的动态链接库文件，并调用OpenFAST_WT子例程函数，经所述数据处理后，将后处理数据分别传递给OpenFAST_WT子例程函数和AQWA软件，完成风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块的耦合，实现这一时间步漂浮式风力机动力学方程的耦合求解。在AQWA软件求解漂浮式平台动力学方程的下一时间步，重复上一过程，直至达到所预设的最终时间步，漂浮式平台仿真模块与风力机仿真模块终止求解进程。为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，将使用开源公开方法（OpenFAST开源软件）的数值仿真结果与运用本专利介绍的混合模拟仿真方法结果进行对比。
图4至图9给出了使用本发明介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的平台自由衰减运动响应对比图，图10至图14给出了使用本发明介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的规则波和稳态风环境下漂浮式风力机动力学关键变量的时程对比图，图15至图19给出了使用本专利介绍混合仿真方法与开源公开的漂浮式风力机仿真方法的随机波和湍流风环境下漂浮式风力机动力学关键变量的时程对比图。可以看出，在不同环境荷载作用下，本发明系统与方法构建的混合数值模型能够准确耦合求解漂浮式风力机动力学方程，并对漂浮式风力机的工作性能做出预测。此外，相较于现有开源公开仿真方法，本发明方法能够考虑更复杂波浪环境，建立保真度更高的漂浮式平台数值模型，并弥补了现有浮体时域计算软件无法考虑上部风机影响的缺陷。
综上所述，本发明提出的一种漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法能够在风-浪-流多重复杂环境荷载下，基于空气动力学、水动力学、结构动力学和多体运动学理论，耦合求解风力机与漂浮式平台的动力学方程，准确高效评估整体的动力学行为。相较于现有方法，提供了适用性、普适性、推广性更高的混合数值模拟方法，为漂浮式风力机的相关研究提供了强有力工具。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (3)
1.一种漂浮式风力机混合数值仿真系统，其特征是，包括：
风力机仿真模块，能够输出塔筒基部的力与力矩，并将塔筒轴线方向参考点处的位移、速度和加速度以外部输入位移、速度和加速度替换取代，以考虑漂浮式平台运动给上部风力机结构带来的惯性力与力矩；
漂浮式平台仿真模块，采用浮体时域计算软件，建立漂浮式平台的数值模型，并接收外部输入由于上部风力机存在所引起施加在漂浮式平台重心处的额外内部力与力矩，进而求解漂浮式平台运动响应方程得到波浪、海流荷载下平台重心处的运动位移和速度；
响应、荷载传递模块，该模块基于动态链接库和Matlab或Python建立不同仿真软件间的数据传输通道，实现风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块的相互耦合；具体而言，该响应、荷载传递模块在每一求解时间步内接收风力机仿真模块输出的塔筒基部内部力与力矩，通过力与力矩的平移叠加及空间坐标转换，将塔筒基部内部力与力矩转换成漂浮式平台重心处的力与力矩，并将其传递给漂浮式平台仿真模块；
该响应、荷载传递模块接收漂浮式平台仿真模块输出漂浮式平台重心处的运动位移和速度，将其转换至风力机仿真模块中塔筒轴线方向参考点处的运动位移和速度，并计算得到响应的加速度，后将其传递给风力机仿真模块，进而实现上部风力机和下部漂浮式平台运动方程的耦合求解，完成漂浮式风力机整体动力学行为的准确实时评估。
2.漂浮式风力机混合数值仿真方法，其特征是， 包括以下步骤：
步骤1，对OpenFAST软件修改，构建风力机仿真模块，在每一时间步下求解风力机动力学与运动学结果；包括：
步骤1-1，在开源软件OpenFAST的Fortran工程项目包，新建一个任意命名的动态链接库子工程项目，并在其下新建一个任意命名的SUBROUTINE子例程源代码文件，并定义传入变量与传出变量，传入变量包括但不限于模拟状态，求解步进次数，求解时间步长，塔筒参考点处的位移、速度、加速度，传出变量包括但不限于塔筒基部的内部力与力矩；
步骤1-2，插入相应的伪注释语句，声明所建SUBROUTINE子例程在动态链接库外可被按C调用约定进行调用，并将传入变量与传出变量指定为引用传递，以供所生成的动态链接库文件能够被Matlab与Python调用传参；
步骤1-3，在SUBROUTINE子例程源代码文件中写入驱动OpenFAST进行风力机仿真模块的代码，依据输入模拟状态变量信息，依次驱动OpenFAST中已有初始化仿真模块读入风力机仿真预定义信息，初始化相应的求解变量；驱动已有的时间步进求解模块，依据步进推进次数求解风力机动力学方程；驱动已有的仿真终止模块，结束风力机仿真进程；
步骤1-4，对OpenFAST已有ElastonDyn模块进行修改，接受所输入加速度以考虑平台运动对上部风力机各结构带来的惯性力，并在风力机运动响应步进求解过程中将输入位移与速度分别赋值给沿塔筒轴线方向参考点处的位移与速度，以实现平台运动与风力机运动的耦合统一；
步骤1-5，将保存风力机仿真的实时数据的变量属性改为SAVE，以记忆每次步进求解涉及的变量信息，并将新建的Fortran工程项目与OpenFAST原有的工程项目建立依赖关系，实现不同工程文件中参量、函数的共享共用；
步骤1-6，编译Fortran动态链接库工程项目，生成文件名后缀为.dll的动态链接库文件，供响应、荷载传递模块调用；
步骤2，基于Matlab或Python搭建响应、荷载传递模块，作为数据传输通道，耦合风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块；包括：
步骤2-1，建立响应、荷载传递模块与风力机仿真模块间的数据通道，包括两种不同方法：
一是在Matlab中利用loadlibrary加载步骤1）生成的动态链接库文件，并通过calllib调用所建立子例程函数，向其风力机仿真模块传入、传出变量；
二是在Python中通过Ctypes库中的cdll.LoadLibrary加载步骤1）生成的动态链接库文件，设置子例程函数中的传入变量和传出变量类型，最后直接调用该子例程函数；
步骤2-2，建立响应、荷载传递模块与漂浮式仿真平台间的数据通道，用于模拟漂浮式平台的浮体时域计算软件具有Matlab或Python数据接口，允许传出漂浮式平台重心处的位移、速度，传入自定义作用在重心处的外部力和力矩，将建立的响应、荷载传递模块与模拟漂浮式平台的浮体时域计算软件的数据接口直接相连；
步骤2-3，处理风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块的传出变量数据，将风力机仿真模块传出塔基局部坐标系下的内部力与力矩转换为全局坐标系下作用在平台重心处的力与力矩；将漂浮式平台仿真模块传出的平台重心处的位移与速度转换至沿塔筒轴线方向参考点处的位移与速度；
步骤2-4，向风力机仿真模块与漂浮式平台仿真模块传入变量数据，分别将从漂浮式平台仿真模块处理得到的沿塔筒轴线方向参考点处的位移与速度，和从风力机仿真模块处理得到作用于平台重心处的力与力矩经过对应的数据传输通道传递给风力机仿真模块和漂浮式平台仿真模块；
步骤3，以漂浮式平台仿真模块为中枢，连接风力机仿真模块与响应、荷载传递模块，通过时间步推进求解各自的运动响应方程组，得到漂浮式风力机整体的时程动力学行为。
3.如权利要求2所述的漂浮式风力机混合数值仿真方法，其特征是，所述步骤3包括：
步骤3-1，在漂浮式平台仿真模块中驱动响应、荷载传递模块，进而由响应荷载传递模块驱动风力机仿真模块，实现各模块的闭环耦合；
步骤3-2，依据漂浮式平台仿真模块与风力机仿真模块求解时间步长，确定风力机仿真模块每次被调用的求解步进次数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311398994.2A CN117131637B (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311398994.2A CN117131637B (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117131637A CN117131637A (zh) | 2023-11-28 |
| CN117131637B true CN117131637B (zh) | 2024-01-26 |
Family
ID=88858572
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311398994.2A Active CN117131637B (zh) | 2023-10-26 | 2023-10-26 | 漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117131637B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117610462B (zh) * | 2023-12-04 | 2024-05-03 | 中国海洋大学 | 帆船操纵仿真方法、系统、应用及电子设备 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210108257A (ko) * | 2020-02-25 | 2021-09-02 | 창원대학교 산학협력단 | 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치 |
| CN113654756A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-16 | 华南理工大学 | 一种海上浮式风机的主动式实时混合模型试验方法 |
| CN115495935A (zh) * | 2022-11-15 | 2022-12-20 | 华北电力大学 | 漂浮式风电机组的建模方法及装置 |
| CN115544883A (zh) * | 2022-10-08 | 2022-12-30 | 浙江大学 | 一种漂浮式海上风电机组载荷和平台变形的在线测量方法及系统 |
| CN116011300A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-04-25 | 中国海洋大学 | 一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法 |
| CN116933684A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-10-24 | 中国海洋大学 | 一种基于OpenFAST-WECSim的风-浪一体化耦合计算方法 |
-
2023
- 2023-10-26 CN CN202311398994.2A patent/CN117131637B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210108257A (ko) * | 2020-02-25 | 2021-09-02 | 창원대학교 산학협력단 | 부유식 해상풍력 터빈용 디지털 트윈 시스템 장치 |
| CN113654756A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-16 | 华南理工大学 | 一种海上浮式风机的主动式实时混合模型试验方法 |
| CN115544883A (zh) * | 2022-10-08 | 2022-12-30 | 浙江大学 | 一种漂浮式海上风电机组载荷和平台变形的在线测量方法及系统 |
| CN115495935A (zh) * | 2022-11-15 | 2022-12-20 | 华北电力大学 | 漂浮式风电机组的建模方法及装置 |
| CN116011300A (zh) * | 2023-02-10 | 2023-04-25 | 中国海洋大学 | 一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法 |
| CN116933684A (zh) * | 2023-07-20 | 2023-10-24 | 中国海洋大学 | 一种基于OpenFAST-WECSim的风-浪一体化耦合计算方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 气动荷载对浮式风机系泊疲劳寿命的影响分析;邓露;胡缤纷;吴松熊;黄民希;宋晓萍;;上海交通大学学报(06);全文 * |
| 海上浮式风机混合模型试验系统开发;刘浩学;温斌荣;魏汉迪;汪学锋;彭志科;田新亮;;实验室研究与探索(第05期);全文 * |
| 海上浮式风机载荷计算与动力学分析研究综述;沈意平;张小军;李学军;朱广辉;;湖南科技大学学报(自然科学版)(第04期);全文 * |
| 海上漂浮式风力发电机组载荷计算软件特点分析;张开华;张智伟;陈明亮;吴俊辉;宋丽丽;常璐;;水电与新能源(第10期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117131637A (zh) | 2023-11-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN117131637B (zh) | 漂浮式风力机混合数值仿真系统及方法 | |
| Yang et al. | Development and application of an aero-hydro-servo-elastic coupling framework for analysis of floating offshore wind turbines | |
| CN116011300B (zh) | 一种风浪联合获能装置的全过程数值模拟方法 | |
| Jonkman et al. | Development of fully coupled aeroelastic and hydrodynamic models for offshore wind turbines | |
| CN107346357B (zh) | 一种基于整体耦合模型的海上风机疲劳分析系统 | |
| CN103970128B (zh) | 一种风电机组控制器在线实时仿真测试系统 | |
| Ruehl et al. | Wave energy development roadmap: design to commercialization | |
| CN109491266B (zh) | 一种基于多体虚拟样机的运载火箭飞行仿真方法 | |
| CN104317283A (zh) | 一种用于风电场控制系统硬件在环测试平台及其测试方法 | |
| CN102385377A (zh) | 一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统和方法 | |
| CN113654756B (zh) | 一种海上浮式风机主动式实时混合模型试验方法 | |
| CN108256210A (zh) | 一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法 | |
| Watanabe et al. | The rock-gazebo integration and a real-time auv simulation | |
| CN114626188B (zh) | 深远海网箱耦合动力响应数值分析方法及系统 | |
| CN202257263U (zh) | 一种用于风力发电机主控系统测试的硬件在环实验系统 | |
| CN116992733A (zh) | 一种基于数字孪生的导管架结构疲劳寿命在线预测方法 | |
| Ransley et al. | Real-time hybrid testing of a floating offshore wind turbine using a surrogate-based aerodynamic emulator | |
| CN113933016B (zh) | 一种模拟漂浮式风电机组运动响应的风洞试验装置与方法 | |
| CN110705091A (zh) | 一种轻量级的虚拟试验靶场对象模型组件构建方法 | |
| CN103645642A (zh) | 一种船舶动力定位的运行仿真平台 | |
| CN116467877A (zh) | 漂浮式风电机组平台动态响应确定方法、装置及电子设备 | |
| Davila Delgado et al. | Low cost DSP‐based educational embedded platform for real‐time simulation and fast implementation of complex systems in Simulink | |
| Somolinos et al. | Dynamic model and control of a new underwater three-degree-of-freedom tidal energy converter | |
| Rhinefrank et al. | Development of a novel 1: 7 scale wave energy converter | |
| Yuan et al. | FMI-Based Co-Simulation of Low-Height Lifting System for Offshore Wind Turbine Installation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |