CN117436317B - 基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法、系统和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法、系统和设备，属于海上风电设备技术领域。现有方案通过监测数据获取真实的载荷信号，无法涵盖各种复杂工况，很难满足海上风电平台的载荷计算要求。本发明的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，通过建立波浪分布模型、波流耦合仿真模型、波流载荷计算模型，对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到能覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线；再对海流速度剖面曲线进行处理，得到波流的离散速度场和离散加速度场；然后对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到准确的波流载荷，从而可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，并可以涵盖各种复杂工况，有效减少了波流载荷计算的误差。
Description
技术领域
本发明涉及基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法、系统和设备，属于海上风电设备技术领域。
背景技术
海上风电平台运行工况复杂，其结构设计、制造成本以及使用寿命主要受波浪以及海流载荷(波流载荷)影响，因此，准确地确定波流载荷对于海上风电平台的经济效益具有重要意义。
中国专利（公布号：CN114673637A）公开了一种海上风电机组一体化安全性载荷测试系统，通过对海上风电机组的叶片载荷、机舱载荷、塔顶载荷、塔中载荷、塔底载荷及海上基础载荷信号和风向流浪信号进行采集；采集完成后，存储载荷信号和风向流浪信号，并基于载荷信号进行应力转化的计算分析，确定所述海上风电机组关键部位的载荷受力数据。上述方案使用3D式激光雷达作为气象数据采集单元，且同时还增加了水文数据采集和风机基础应力采集，整合了风、浪、流等数据与风机本体和基础的载荷数据，实现海上风电机组一体化的载荷测试，分析不同环境条件下的风机和桩基的载荷情况，有助于海上风电机组在研发过程中进行成本把控。
上述方案通过数据采集单元对海上气象进行监测，以获取真实的载荷信号，并基于真实的载荷信号进行应力转化，从而确定载荷受力数据。但数据采集单元只能对海上风电机组的关键部位进行监测，数据采集不够全面，导致无法对海上风电机组的各个位置进行准确载荷计算；并且受监测时间和监测位置的影响，无法涵盖各种复杂工况。
进一步，真实的监测数据对于研发阶段的风电机组一般难以获取，因此通过采集真实载荷信号的方式，很难满足海上风电平台仿真阶段的载荷计算要求，如果无法进行精确的载荷仿真，将导致结构设计不合理，从而会影响海上风电平台的仿真研发以及后续的成本控制和使用寿命。
发明内容
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的一在于提供一种通过建立波浪分布模型、波流耦合仿真模型、波流载荷计算模型，对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到能覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线；再对海流速度剖面曲线进行处理，使得波浪和海流耦合在一起，得到准确的波流载荷，从而可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，方案科学、合理，切实可行的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法。
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的二在于提供一种通过设置波浪分布模块、波流耦合仿真模块、波流载荷计算模块，得到准确的波流载荷，可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，使得海上风电平台桩基结构设计更为合理的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算系统。
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的三在于提供一种可以对海上风电机组进行准确载荷计算，可以涵盖各种复杂工况，特别适用于研发阶段的海上风电机组的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法、系统和设备。
针对上述问题或上述问题之一，本发明的目的四在于提供一种充分考虑波浪和海流之间的协同作用效应，针对不同海流层的海流速度一般不同的特性，对海流速度剖面进行纵向拉伸，并对波浪和海流进行耦合计算，有效减少了波流载荷计算的误差的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法、系统和设备。
为实现上述目的之一，本发明的第一种技术方案为：
基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，包括以下内容：
根据海上风电平台桩基周边的海流波浪信息，利用预先建立的波浪分布模型，计算得到随深度变化的波浪分布数据；
通过预先建立的波流耦合仿真模型，根据波浪和海流的协同效应，并基于波浪分布数据对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到能覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线；再对海流速度剖面曲线进行处理，使得波浪和海流耦合在一起，得到波流的离散速度场和离散加速度场；
利用预先建立的波流载荷计算模型，对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到基于波浪和海流的协同作用效应的波流载荷，完成基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算。
本发明经过不断探索以及试验，通过建立波浪分布模型、波流耦合仿真模型、波流载荷计算模型，能够根据波浪和海流的协同效应，并基于波浪分布数据对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到能覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线；再对海流速度剖面曲线进行处理，使得波浪和海流耦合在一起，得到波流的离散速度场和离散加速度场；然后对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到准确的波流载荷，从而可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，方案科学、合理，切实可行。
进而，本发明通过构建覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线，可以对海上风电机组各个位置进行准确载荷计算，并基于已有的海流波浪信息，可以涵盖各种复杂工况，因此可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，特别适用于研发阶段的海上风电机组，便于对海上风电平台桩基进行仿真设计以及研发，从而使得海上风电平台桩基结构设计更为合理，并可以有效降低海上风电平台桩基后续的制造成本，延长其使用寿命，因此本发明无需获取真实的载荷信号，即可实现海上风电平台桩基的波流载荷准确计算。
进一步，本发明充分考虑波浪和海流之间的协同作用效应，针对不同海流层的海流速度一般不同的特性，对海流速度剖面进行纵向拉伸，从而可以对波浪和海流进行耦合计算，有效减少了波流载荷计算的误差，使得海上风电平台桩基仿真更加真实。
作为优选技术措施：
波浪分布模型设有线性波计算单元、五阶波计算单元和流函数波浪计算单元；
海流波浪信息至少包括波浪周期、静水深和波高；
波浪分布数据至少包括波浪的波长和波面；
线性波计算单元、五阶波计算单元能根据波浪周期、静水深和波高，计算波长和波面；
流函数波浪计算单元，能根据波浪周期、静水深和波高，并基于波陡与相对深度的分布图，采用多边形边缘点判断的方式遍历所有区域直至确定合适的流函数阶数。
作为优选技术措施：
利用线性波计算单元计算波长和波面的方法，包括以下步骤：
步骤11，根据波浪周期、静水深和波高，设置边界条件，边界条件包括线性化自由表面运动条件和动力边界条件；
步骤12，根据线性化自由表面运动条件和动力边界条件，给定线性波面形式对速度势的拉普拉斯控制方程；
步骤13，对拉普拉斯控制方程进行逆问题求解得到速度势的表达式，速度势的表达式包括未知量波长；
步骤14，将速度势的表达式代入边界条件得到线性波的弥散关系；
步骤15，根据弥散关系求得波长；
步骤16，将波长代入线性波面表达式求出波面。
作为优选技术措施：
利用五阶波计算单元计算波长和波面的方法，包括以下步骤：
步骤21，根据波浪周期、静水深和波高，设置边界条件，边界条件包括线性化自由表面运动条件和动力边界条件；
步骤22，根据线性化自由表面运动条件和动力边界条件，给定五阶波面表达式，并对速度势作摄动展开并保留至五阶摄动参量；
步骤23，将五阶波面表达式代入拉普拉斯控制方程进行逆问题求解，得到五阶波的速度势表达式；
步骤24，将五阶波的速度势表达式代入边界条件和波高与波面关系，得到一个超越方程组；
步骤25，使用艾特肯加速迭代算法求解超越方程组得到波长；
步骤26，将波长代入五阶波面表达式求出波面。
作为优选技术措施：
波流耦合仿真模型包括线性以及五阶波耦合单元和流函数波浪耦合单元；
线性以及五阶波耦合单元，能根据波浪和海流的协同效应，并基于速度势与速度的关系式以及速度与加速度的关系式，得到离散速度场和离散加速度场；
流函数波浪耦合单元，将连续的海流速度剖面以分段线性插值函数的方式进行表示，并基于波浪流函数和速度的关系式以及速度和加速度的关系式，得到离散速度场和离散加速度场。
作为优选技术措施：
通过线性以及五阶波耦合单元得到离散速度场和离散加速度场的方法，包括以下步骤：
步骤31，根据波浪和海流的协同效应，并基于波面和波长对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到海流速度剖面曲线，所述海流速度剖面曲线能覆盖海底至波浪表面的所有高度范围；纵向拉伸为线性拉伸和非线性拉伸；
步骤32，取半周期内若干水平位置点代入波面，得到半周期内的波面离散点集；
步骤33，将波面离散点集代入海流速度剖面曲线，得到拉伸后的海流速度离散场；
将波长代入速度势表达式，并根据速度势与速度的关系式以及速度与加速度的关系式，得到离散速度场和离散加速度场；
步骤34，将拉伸后的海流速度离散场和离散速度场进行耦合，得到最终的海洋速度场。
作为优选技术措施：
通过流函数波浪耦合单元得到离散速度场和离散加速度场的方法，包括以下步骤：
步骤41，基于水质点的速度和压强在不同海流速度剖面层的交界面具有连续性的特征，设置界面条件；
步骤42，根据界面条件，设置控制方程；
步骤43，根据控制方程，将连续的海流速度剖面以分段线性插值函数的方式进行表示，得到波浪流函数；
波浪流函数，用于计算某海洋剖面的海流速度，其通过交界面处的海流速度、线性海流速度表达式的斜率、流函数阶数、相关系数、波速、波长进行构建；
步骤44，对波面采用离散差分算法进行处理，得到波面的离散场，并将波面的离散场输入到波浪流函数中，得到若干海洋剖面的海流速度；
步骤45，基于波浪流函数和速度的关系式以及速度和加速度的关系式，并根据若干海洋剖面的海流速度，得到离散速度场和离散加速度场。
作为优选技术措施：
利用波流载荷计算模型得到波流载荷的方法如下：
步骤51，获取海上风电平台桩基的某个单元节点；
步骤52，根据某个单元节点和波面的相对位置，建立信号函数，信号函数用于判断某个单元节点是否承受波流载荷；
当信号函数返回非零值，执行步骤53；
当信号函数返回零值，表征所述单元节点不承受波流载荷，并执行步骤51；
步骤53，根据波面、离散速度场以及离散加速度场，对离散速度场和加速度场采用二维平面插值，得到插值数据；
步骤54，在插值数据中代入海上风电平台桩基的单元节点坐标，得到对应单元节点的速度值和加速度值；
步骤55，根据速度值和加速度值，利用莫里森力计算公式，计算得到节点处的莫里森力；
步骤56，根据节点处的莫里森力，通过线性外推的方式得到整个梁单元上的波流载荷；
步骤57，重复步骤51-步骤56，得到海上风电平台桩基所承受的波流载荷。
为实现上述目的之一，本发明的第二种技术方案为：
基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算系统，应用上述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法；
其包括波浪分布模块、波流耦合仿真模块、波流载荷计算模块；
波浪分布模块，用于计算随深度变化的波浪分布数据；
波流耦合仿真模块，用于进行波浪和海流耦合计算，得到波流的离散速度场和离散加速度场；
波流载荷计算模块，用于对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到基于波浪和海流的协同作用效应的波流载荷，完成基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算。
本发明经过不断探索以及试验，通过设置波浪分布模块、波流耦合仿真模块、波流载荷计算模块，得到准确的波流载荷，从而可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，使得海上风电平台桩基结构设计更为合理，进而可以有效降低海上风电平台桩基后续的制造成本，延长其使用寿命。
为实现上述目的之一，本发明的第三种技术方案为：
一种电子设备，其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法。
与现有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：
本发明经过不断探索以及试验，通过建立波浪分布模型、波流耦合仿真模型、波流载荷计算模型，能够根据波浪和海流的协同效应，并基于波浪分布数据对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到能覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线；再对海流速度剖面曲线进行处理，使得波浪和海流耦合在一起，得到波流的离散速度场和离散加速度场；然后对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到准确的波流载荷，从而可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，方案科学、合理，切实可行。
进而，本发明通过构建覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线，可以对海上风电机组各个位置进行准确载荷计算，并基于已有的海流波浪信息，可以涵盖各种复杂工况，因此可以满足海上风电平台桩基的载荷计算要求，特别适用于研发阶段的海上风电机组，便于对海上风电平台桩基进行仿真设计以及研发，从而使得海上风电平台桩基结构设计更为合理，并可以有效降低海上风电平台桩基后续的制造成本，延长其使用寿命，因此本发明无需获取真实的载荷信号，即可实现海上风电平台桩基的波流载荷准确计算。
进一步，本发明充分考虑波浪和海流之间的协同作用效应，针对不同海流层的海流速度一般不同的特性，对海流速度剖面进行纵向拉伸，从而可以对波浪和海流进行耦合计算，有效减少了波流载荷计算的误差，使得海上风电平台桩基仿真更加真实。
附图说明
图1为本发明波流载荷计算方法的一种流程示意图；
图2为本发明对海流速度剖面进行分段线性拟合的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。
如图1所示，本发明基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法的第一种具体实施例：
基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，包括以下步骤：
第一步，根据海上风电平台桩基周边的海流波浪信息，利用预先建立的波浪分布模型，计算得到随深度变化的波浪分布数据；
第二步，根据波浪分布数据，通过预先建立的波流耦合仿真模型，进行波浪和海流耦合计算，得到波流的离散速度场和离散加速度场；
第三步，利用预先建立的波流载荷计算模型，对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到基于波浪和海流的协同作用效应的波流载荷，完成基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算。
本发明基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法的第二种具体实施例：
基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，包括以下内容：
根据海上风电平台桩基周边的海流波浪信息，利用预先建立的波浪分布模型，计算得到随深度变化的波浪分布数据；
通过预先建立的波流耦合仿真模型，根据波浪和海流的协同效应，并基于波浪分布数据对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到能覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线；再对海流速度剖面曲线进行处理，使得波浪和海流耦合在一起，得到波流的离散速度场和离散加速度场；
利用预先建立的波流载荷计算模型，对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到基于波浪和海流的协同作用效应的波流载荷，完成基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算。
本发明基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法的一种最佳实施例：
基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，提出了一种基于离散数值算法的考虑波浪和海流协同效应的针对海上风电平台桩基的波流载荷计算方法，并提供了一套通用化的波浪和海流有限元载荷的自动化施加方案，其具体包括以下步骤：
S1:输入周期、静水深/>和波高/>，根据仿真需求选择合适的波浪计算单元，本发明提供三种波浪计算单元，包括线性波计算单元、斯托克斯（Stokes）五阶波计算单元以及考虑海流速度的流函数波浪计算单元，足以涵盖海上风电平台桩基实际所处的绝大部分波浪和海流的工况环境。
按照本发明的实现路线对所选择的计算单元输入参数进行转换，若选择的是线性波计算单元或斯托克斯（Stokes）五阶波计算单元，则先根据周期，静水深/>和波高/>计算波长/>；若选择的是流函数波浪计算单元，则先根据周期/>，静水深/>和波高/>判断流函数阶数N，对于流函数阶数，也可以采用自定义的方式直接输入流函数阶数。
S2:输入海流速度随深度变化的分布剖面，该分布剖面/>可以直接采用函数表达式的方式进行输入也可采用离散数据对的方式进行设置。将该剖面分布/>作为输入提供给S1的波浪计算单元，进行海流和波浪计算单元的耦合计算，得到水质点自海底到海面的全周期的离散速度场和离散加速度场，同时得到全周期的波面分布/>，作为后续进行有限元波浪和海流载荷计算的输入数据集。上述离散数据集的离散步长可根据S1中输入的静水深/>自动进行划分计算，以保证较好的数值精度和计算效率。
S3:基于实际的有限元模型，自动遍历模型的所有空间节点坐标，不同的有限元软件都会提供其有限元节点或单元数据的获取接口。根据节点坐标与S2中得到的波面分布的相对位置作为是否进行后续波浪和海流载荷的计算标志，若该节点满足施加波浪和海流载荷的计算标志，则采用海洋工程常见的莫里森公式计算波浪载荷，由于在进行水质点速度场和加速度场计算时已经将海流速度剖面作为输入进行计算，因此基于S2的速度场和加速度场代入莫里森方程计算得到的波浪和海流载荷已经考虑了波浪和海流的协同作用效应，而无需同传统方法一样将波浪场和海流场分开代入莫里森公式进行计算，分别得到波浪载荷和海流载荷再对它们做线性叠加作为有限元载荷。
本发明在使用莫里森公式进行载荷计算时，根据相关规范对其中的拖曳力系数和惯性力系数/>进行计算，同时也可以直接赋值。
本发明考虑了波浪和海流之间的协同效应，可以更加准确高效地为海上风电平台桩基的仿真提供海流载荷的输入，计算时间短，能有效地提高海上风电平台桩基设计的迭代优化效率，同时本发明通过构建流函数波浪计算单元，能够考虑不同海流速度层，相比于工程上使用的斯托克斯（Stokes）五阶波计算单元能适用更广的水深和波高范围，有着更丰富的应用场景。
进而本发明提供的通用化的波浪和海流载荷施加方案能广泛地应用于不同的有限元仿真软件，具有较好的可拓展性，对海上风电平台桩基的设计、安装、运维有重要的指导意义。
在S1中，对于线性波计算单元，通过忽略自由表面运动条件和动力边界条件的非线性影响，将其简化为边界条件。线性化自由表面运动条件和动力边界条件的表达式如下所示：
其中为速度势，/>为重力加速度，/>以液面为基准的高程值，/>为时刻。
通过给定线性波面形式对速度势/>的拉普拉斯控制方程进行逆问题求解得到其速度势/>的表达式，包含未知量波长/>。线性波面/>的给定形式如下所示：
式中为波幅，/>为波数，/>为沿波浪方向的水平位置，/>为未知量，/>为角频率。
角频率的计算公式如下：
其中为波浪周期。
速度势的控制方程如下所示：
将速度势的表达式代入边界条件得到线性波的弥散关系，根据弥散关系求得波长/>。线性波的弥散关系如下所示：
其中为静水深。
对于Stokes五阶波，对速度势作摄动展开并保留至五阶摄动参量/>，通过给定满足边界条件的波面表达式，代入拉普拉斯控制方程进行逆问题求解。Stokes五阶波的波面表达式如下所示：
其中为波数，/>为未知量，/>为不同阶的系数，均与比值系数/>有关，/>为未知量。
分别将Stokes五阶波的速度势表达式代入边界条件和波高与波面关系可得到一个超越方程组：
其中为未知量，/>，/>，/>，/>和/>为系数且均仅与/>有关，/>为初始波长，使用艾特肯加速迭代算法求解该超越方程组得到波长/>和比值系数/>，将波长/>和比值系数/>代入Stokes五阶波面表达式求出波面/>。
初始波长的计算公式如下：
对于流函数波浪计算单元，提供两种方式选择其阶数，第一种方式为自定义输入其阶数N，第二种方式基于流函数阶数关于波陡与相对深度的分布图，采用多边形边缘点判断的方式遍历所有区域直至确定合适的流函数阶数N。
波陡的计算公式如下：
相对深度的计算公式如下：
在S2中，对于线性波和Stokes五阶波，由于波浪和海流的协同效应，首先需要基于S1中得到的波面和波长/>对海流速度剖面/>进行纵向拉伸，通过改变海流速度剖面的高程值，得到拉伸至波浪表面的新的海流速度剖面曲线，可选择线性拉伸和非线性拉伸两种拉伸方式，使得海流速度剖面曲线能覆盖海底至波浪表面的所有高度范围，取半周期内若干水平位置点/>代入波面/>得到半周期内的波面离散点集，代入拉伸表达式得到拉伸后的海流速度离散场。
对海流速度剖面进行分段线性拟合，其线性拉伸方式如下所示：
其中为拉伸后的海流速度剖面高程值，/>为高程，/>为在水平位置/>的波面值，/>为静水深。
非线性拉伸方式如下所示：
将代入速度势函数表达式的速度势函数/>确定式，根据速度势函数与速度的关系式以及速度与加速度的关系得到离散速度场/>和加速度场/>，将拉伸后的海流速度离散场和速度场/>耦合得到最终的速度场/>。速度势函数与速度的关系式如下所示：
其中为沿波浪水平方向的速度矢量，/>为沿竖直方向的速度矢量，/>和/>分别为波浪水平方向的单位矢量和竖直方向单位矢量。
对于流函数波浪计算单元，首先将连续的海流速度剖面以分段线性插值函数的方式表示，此时对于每一海流速度剖面层，波浪流函数/>有如下关系式：
其中为海流速度大小，/>为水平方向速度大小，/>为竖直方向速度大小，/>为波速。
代入动力边界条件简化得到如下控制方程：
其中代表涡量分布函数，/>代表拉普拉斯算子，对于不同的海流速度剖面层，由于采用线性插值函数的拟合表达方式，/>在每一海流速度剖面层都为常数。
水质点的速度和压强在不同海流速度剖面层的交界面是连续的，因此界面条件可如下所示：
其中和/>分别是第/>层和第/>层的波浪流函数，/>是第/>层海流速度剖面的水深，/>是第/>层海流速度剖面的波面。
海流速度剖面层的交界面的波面平均值应该为0，该条件可如下所示：
同时波面平均值也应该为0，该条件可如下所示：
按照波高的定义有如下表达式：
动力边界条件要求流函数在波面为一常数值。该条件可如下所示：
其中为波面所处的海流速度剖面层的流函数，/>为待定常值，z为高程，取水平位置/>的波面值/>。
考虑控制方程，给定不同海流速度剖面层的流函数表达式如下：
其中为第/>层和第/>层交界面处的深度，/>为第/>层和第/>层交界面处的海流速度，/>为第/>层线性海流速度表达式的斜率，/>为高程，N为流函数阶数，/>和为待定系数，/>为波速，/>为波长，/>和/>未知。
如图2所示，本实施例中，水平位置的单位为米，高程/>的单位为米，共有六个交界面，从而可得到六个海流速度，其分别为/>、/>、/>、/>、/>、/>。
对于未知量的求解，首先将波高约束条件和平均波面漂移条件转化为其方差最小的优化问题，通过选定半周期内自海底到波面的若干空间点，形成离散网格矩阵。使用线性波的弥散关系给出作为波长的初值，输入不同层界面的海流速度/>，给定其他系数的初值，采用摄动法进行迭代，在每一次迭代步中采用拉格朗日乘子法对该矩阵进行求解，在方差到达一定阈值范围内后认为收敛，更新迭代步直至迭代收敛。根据动力学边界条件采用离散差分格式得到波面的离散场，根据流函数和速度的关系式以及速度和加速度的关系式得到离散速度场和加速度场。
在S3中，根据S2中求得的波面、离散速度场/>以及离散加速度场/>，对离散速度场和加速度场采用二维平面插值，代入海上风电平台桩基的有限元模型的单元节点坐标，对于一个单元节点坐标，可以得到该单元节点的速度值/>和加速度值/>，根据该单元节点和波面的相对位置，定义一个信号函数用于判断该单元节点是否施加波流载荷。该信号函数可如下所示：
若信号函数返回非零值，进行下一步莫里森力计算，否则该单元节点不施加波流载荷。在莫里森力如下所示：
其中为沿梁单元法向的莫里森力矢量，/>为沿梁单元法向的拖曳力矢量，/>为沿梁单元法向的惯性力矢量，/>和/>分别为法向拖曳力系数和法向惯性力系数，/>为梁单元外径，/>为海水密度。
得到节点处的莫里森力后，通过线性外推的方式得到整个梁单元上的线性分布力。节点处的波流载荷在全局坐标的分量形式为：
其中、/>和/>分别为沿梁单元法向的莫里森力矢量在全局坐标系/>轴、/>轴和轴的分量大小。
遍历整个海上风电平台桩基的梁单元节点坐标，重复上述步骤，完成每个梁单元节点的波流载荷计算。
应用本发明波流载荷计算方法的一种具体实施例：
基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，包括以下步骤：
步骤一：首先根据我国东部某海上风电平台桩基所处海域设置的波浪传感器在一段工作时间内测量的波浪周期，波高/>以及测深仪测量的静水深/>，计算出该海域的平均波浪周期/>，平均波高/>和平均静水深/>。
从线性波计算单元、斯托克斯（Stokes）五阶波计算单元和流函数波浪计算单元中选择用于该海上平台设计的波浪计算单元。若选择线性波计算单元或者斯托克斯（Stokes）五阶波计算单元，则先根据计算单元计算出波浪的波长和波面/>；若选择流函数波浪计算单元，则先根据波陡和相对深度自动判断出流函数的阶数，也可直接自定义输入流函数的阶数。
步骤二：根据按一定时间间隔，持续观测海流一昼夜或多昼夜，得到的海流速度剖面，计算得到平均海流速度剖面/>，该平均海流速度剖面/>可用分段线性函数近似表示。
若选择线性波计算单元或者斯托克斯（Stokes）五阶波计算单元，首先根据步骤一计算得到的波长，根据是否考虑波的多普勒效应，选择线性拉伸方式或者非线性拉伸方式对海流速度剖面进行拉伸。若考虑多普勒效应则选择非线性拉伸。根据波浪半周期内的空间坐标点集，计算出拉伸后的海流离散速度场/>以及波浪的离散速度场/>和加速度场/>，将海流离散速度场/>和波浪离散速度场/>进行耦合，最后得到最终的离散速度场/>和离散加速度场/>。
空间坐标点集的表达式如下所示：
其中、/>和/>分别为第/>个空间点在全局坐标系下的/>坐标值、/>坐标值和/>坐标值，N 0为空间点的总个数。
若选择流函数波浪计算单元，将不同高程的海流速度离散集作为输入进行迭代求解，得到离散波面集以及离散速度场和离散加速度场/>。
海流速度离散集的表达式如下所示：
离散波面集的表达式如下所示：
步骤三：根据海上平台常见的行业规范，例如海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法，设置莫里森力的拖曳力系数和惯性力系数，将海上风电平台桩基有限元模型的梁单元节点空间坐标值代入步骤二中的离散速度场/>和离散加速度场，通过线性插值得到梁单元节点/>的水质点速度/>和加速度/>，判断该梁单元节点高程/>与步骤二中的波面/>的相对位置，若该梁单元节点位于波面/>以上，则不计算波流载荷，否则根据该梁单元节点的水质点的速度/>和加速度/>计算莫里森力作为波流载荷/>，从而得到波流载荷/>在全局坐标系下的分量表示/>，并将莫里森力作为梁单元分布力的输入。海上风电平台桩基有限元模型的所有梁单元节点集合的表达式如下所示：
其中表示第/>个梁单元节点，/>为所有梁单元节点的总个数，/>；
令，若/>满足其高程小于波面/>则施加波流力，否则忽略该梁单元节点；
令，对/>进行波流载荷的判断和施加。
重复上一步操作，当时停止，至此完成对海上风电平台桩基所有梁单元节点波流载荷的计算以及施加。
应用本发明方法的一种设备实施例：
一种电子设备，其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法。
应用本发明方法的一种计算机介质实施例：
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是根据本申请实施例的方法、设备（系统）、计算机程序产品的流程图或/和方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图或/和方框图中的每一流程或/和方框以及流程图或/和方框图中的流程或/和方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程或/和方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (6)
1.基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，其特征在于：
包括以下内容：
根据海上风电平台桩基周边的海流波浪信息，利用预先建立的波浪分布模型，计算得到随深度变化的波浪分布数据；
通过预先建立的波流耦合仿真模型，根据波浪和海流的协同效应，并基于波浪分布数据对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到能覆盖海底至波浪表面的海流速度剖面曲线；再对海流速度剖面曲线进行处理，使得波浪和海流耦合在一起，得到波流的离散速度场和离散加速度场；
波流耦合仿真模型包括线性以及五阶波耦合单元和流函数波浪耦合单元；
线性以及五阶波耦合单元，能根据波浪和海流的协同效应，并基于速度势与速度的关系式以及速度与加速度的关系式，得到离散速度场和离散加速度场；
流函数波浪耦合单元，将连续的海流速度剖面以分段线性插值函数的方式进行表示，并基于波浪流函数和速度的关系式以及速度和加速度的关系式，得到离散速度场和离散加速度场；
通过线性以及五阶波耦合单元得到离散速度场和离散加速度场的方法，包括以下步骤：
步骤31，根据波浪和海流的协同效应，并基于波面和波长对海流速度剖面进行纵向拉伸，得到海流速度剖面曲线，所述海流速度剖面曲线能覆盖海底至波浪表面的所有高度范围；纵向拉伸为线性拉伸和非线性拉伸；
步骤32，取半周期内若干水平位置点代入波面，得到半周期内的波面离散点集；
步骤33，将波面离散点集代入海流速度剖面曲线，得到拉伸后的海流速度离散场；
将波长代入速度势表达式，并根据速度势与速度的关系式以及速度与加速度的关系式，得到离散速度场和离散加速度场；
步骤34，将拉伸后的海流速度离散场和离散速度场进行耦合，得到最终的海洋速度场；
通过流函数波浪耦合单元得到离散速度场和离散加速度场的方法，包括以下步骤：
步骤41，基于水质点的速度和压强在不同海流速度剖面层的交界面具有连续性的特征，设置界面条件；
步骤42，根据界面条件，设置控制方程；
步骤43，根据控制方程，将连续的海流速度剖面以分段线性插值函数的方式进行表示，得到波浪流函数；
波浪流函数，用于计算某海洋剖面的海流速度，其通过交界面处的海流速度、线性海流速度表达式的斜率、流函数阶数、相关系数、波速、波长进行构建；
步骤44，对波面采用离散差分算法进行处理，得到波面的离散场，并将波面的离散场输入到波浪流函数中，得到若干海洋剖面的海流速度；
步骤45，基于波浪流函数和速度的关系式以及速度和加速度的关系式，并根据若干海洋剖面的海流速度，得到离散速度场和离散加速度场；
利用预先建立的波流载荷计算模型，对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到基于波浪和海流的协同作用效应的波流载荷，完成基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算；
利用波流载荷计算模型得到波流载荷的方法如下：
步骤51，获取海上风电平台桩基的某个单元节点；
步骤52，根据某个单元节点和波面的相对位置，建立信号函数，信号函数用于判断某个单元节点是否承受波流载荷；
当信号函数返回非零值，执行步骤53；
当信号函数返回零值，表征所述单元节点不承受波流载荷，并执行步骤51；
步骤53，根据波面、离散速度场以及离散加速度场，对离散速度场和加速度场采用二维平面插值，得到插值数据；
步骤54，在插值数据中代入海上风电平台桩基的单元节点坐标，得到对应单元节点的速度值和加速度值；
步骤55，根据速度值和加速度值，利用莫里森力计算公式，计算得到节点处的莫里森力；
步骤56，根据节点处的莫里森力，通过线性外推的方式得到整个梁单元上的波流载荷；
步骤57，重复步骤51-步骤56，得到海上风电平台桩基所承受的波流载荷。
2.如权利要求1所述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，其特征在于：
波浪分布模型设有线性波计算单元、五阶波计算单元和流函数波浪计算单元；
海流波浪信息至少包括波浪周期、静水深和波高；
波浪分布数据至少包括波浪的波长和波面；
线性波计算单元、五阶波计算单元能根据波浪周期、静水深和波高，计算波长和波面；
流函数波浪计算单元，能根据波浪周期、静水深和波高，并基于波陡与相对深度的分布图，采用多边形边缘点判断的方式遍历所有区域直至确定合适的流函数阶数。
3.如权利要求2所述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，其特征在于：
利用线性波计算单元计算波长和波面的方法，包括以下步骤：
步骤11，根据波浪周期、静水深和波高，设置边界条件，边界条件包括线性化自由表面运动条件和动力边界条件；
步骤12，根据线性化自由表面运动条件和动力边界条件，给定线性波面形式对速度势的拉普拉斯控制方程；
步骤13，对拉普拉斯控制方程进行逆问题求解得到速度势的表达式，速度势的表达式包括未知量波长；
步骤14，将速度势的表达式代入边界条件得到线性波的弥散关系；
步骤15，根据弥散关系求得波长；
步骤16，将波长代入线性波面表达式求出波面。
4.如权利要求2所述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法，其特征在于：
利用五阶波计算单元计算波长和波面的方法，包括以下步骤：
步骤21，根据波浪周期、静水深和波高，设置边界条件，边界条件包括线性化自由表面运动条件和动力边界条件；
步骤22，根据线性化自由表面运动条件和动力边界条件，给定五阶波面表达式，并对速度势作摄动展开并保留至五阶摄动参量；
步骤23，将五阶波面表达式代入拉普拉斯控制方程进行逆问题求解，得到五阶波的速度势表达式；
步骤24，将五阶波的速度势表达式代入边界条件和波高与波面关系，得到一超越方程组；
步骤25，使用艾特肯加速迭代算法求解超越方程组得到波长；
步骤26，将波长代入五阶波面表达式求出波面。
5.基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算系统，其特征在于：
应用如权利要求1-4任一所述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法；
其包括波浪分布模块、波流耦合仿真模块、波流载荷计算模块；
波浪分布模块，用于计算随深度变化的波浪分布数据；
波流耦合仿真模块，用于进行波浪和海流耦合计算，得到波流的离散速度场和离散加速度场；
波流载荷计算模块，用于对离散速度场和离散加速度场进行处理，得到基于波浪和海流的协同作用效应的波流载荷，完成基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算。
6.一种电子设备，其特征在于：
其包括：
一个或多个处理器；
存储装置，用于存储一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1-4任一所述的基于海上风电桩基的波流载荷仿真计算方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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