[發明專利]基于動態概化的潮流能水輪機陣列水動力影響模擬方法

有效

• 申請號: 201710017501.4
• 申請日: 2017-01-11
• 公開（公告）號: CN106709262B
• 公開（公告）日: 2018-10-23
• 發明（設計）人: 張繼生;高鵬;林祥峰;鄭金海
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06Q50/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 徐瑩

本發明提供了一種基于動態概化的潮流能水輪機陣列水動力影響數值模擬方法，根據水輪機在不同水流流速下運轉狀態不同的特點，拖曳力系數在水流流速大于切入流速、小于切出流速時，通過擬合水輪機機型提供的拖曳力離散值得到相應值，彌補了傳統潮流動力模型中拖曳力系數保持為常數的明顯不足，不僅考慮了水輪機發電裝置形狀阻力的影響，而且考慮了水輪機運行發電時提取能量產生的拖曳力（能量損耗）對流場的影響，從而更加準確地評估潮流能水輪機陣列對周圍海域的水動力影響，為潮流能的合理開發和利用具有重要意義。

技術領域

本發明涉及海洋能開發和利用領域，具體涉及一種潮流能水輪機陣列水動力影響數值模擬方法。

背景技術

海洋能與常規化石能源不同，其能夠利用海洋提取能量，產生電能而不產生廢氣和廢熱，不污染生態環境。其中，潮流能因為預報準確性較高、連續供能好、蘊藏量和能流密度大等優勢，越來越引起重視，其分布范圍廣，已經成為海洋能開發和利用的重要組成部分。合理的開發潮流能是解決沿海地區資源短缺的重要手段，對促進我國經濟可持續發展具有重要意義。

為獲得經濟效益，實際應用中，潮流能水輪機往往成陣列布置，而布置過程中會考慮海域水深地形條件；水輪機陣列的布置也會對海域的水深地形條件產生不同影響，從而影響潮流能開發效益。因此，為了更好保護海域環境、提高開發效益，正確的評估潮流能水輪機陣列對周圍海域的水動力影響對于潮流能的開發和利用具有重大的意義，水動力環境的改變會影響周圍海域的泥沙輸運、生態環境和海洋功能等。

然而，目前對于流場中水輪機陣列的水動力影響主要是通過靜態概化數值模擬的方法實現的，在數值模型中使用的拖曳力項保持為常數，即將水輪機陣列近似為靜止的樁柱來考慮其對流場的拖曳力。而在實際情況中，當水輪機在潮流驅動下運作發電時，由于葉片轉動提取潮流能會對流場產生額外的拖曳力(能量損耗)，即拖曳力項會隨水輪機所在位置的潮流流速發生變化，可見靜態概化數值模擬水輪機陣列的水動力影響忽略了水輪機運作發電所產生的拖曳力。因此，這種靜態的水輪機概化模擬方法是一種不精確的近似方法，不符合水輪機陣列對周圍流場影響的實際情況。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種基于動態概化的潮流能水輪機陣列水動力影響數值模擬方法，利用潮流動力模型，基于動態概化，即引入隨潮流流速變化的拖曳力修正公式，模擬潮流能水輪機陣列布置后的周圍海域的流速、流向分布，從而正確認識潮流能水輪機陣列的水動力影響，為潮流能合理開發和利用奠定基礎。

技術方案：本發明提供了一種基于動態概化的潮流能水輪機陣列水動力影響數值模擬方法,包括以下步驟：

(1)選擇要計劃布置潮流能水輪機陣列的海域，并獲取對應海域的海圖資料；

(2)根據海圖資料確定目標海域的陸地邊界；

(3)利用非結構網格對目標海域計算區域進行空間離散，對于可布置潮流能水輪機陣列的地方加密網格，選擇對潮位及潮流進行模擬計算的潮流動力數學模型；

(4)將海圖資料和目標海域實測地形獲得的水深地形數據離散點進行插值，得到網格節點密集的地形數據用于模型計算；

(5)根據步驟(3)得到的非結構網格，構造潮流動力模型需要的初始條件、開邊界和動邊界：初始條件給定初始時刻的水位及流速，開邊界由中國近海潮波數學模型提供水位變化條件，動邊界考慮因漲落潮引起的邊灘干濕交替，采用干濕法控制動邊界處理；

(6)利用構造的潮流動力數學模型進行計算，得到目標海域的潮流流速和流向的變化過程，與實測資料進行比對、驗證；若模擬結果和實測資料的誤差不滿足要求，調整邊界條件和底摩阻參數；

(7)根據水深、流速條件，選擇潮流能水輪機機型；根據步驟(6)數值模擬結果，分析目標海域內潮流流速時間累計分布，在潮流能蘊藏量豐富且水深、地形合適布置水輪機的地方設置潮流能水輪機陣列；