[发明专利]基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响模拟方法

摘要

本发明提供了一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法，根据水轮机在不同水流流速下运转状态不同的特点，拖曳力系数在水流流速大于切入流速、小于切出流速时，通过拟合水轮机机型提供的拖曳力离散值得到相应值，弥补了传统潮流动力模型中拖曳力系数保持为常数的明显不足，不仅考虑了水轮机发电装置形状阻力的影响，而且考虑了水轮机运行发电时提取能量产生的拖曳力（能量损耗）对流场的影响，从而更加准确地评估潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响，为潮流能的合理开发和利用具有重要意义。

主权项

1.一种基于动态概化的潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)选择要计划布置潮流能水轮机阵列的海域，并获取对应海域的海图资料；(2)根据海图资料确定目标海域的陆地边界；(3)利用非结构网格对目标海域计算区域进行空间离散，对于可布置潮流能水轮机阵列的地方加密网格，选择对潮位及潮流进行模拟计算的潮流动力数学模型；(4)将海图资料和目标海域实测地形获得的水深地形数据离散点进行插值，得到网格节点密集的地形数据用于模型计算；(5)根据步骤(3)得到的非结构网格，构造潮流动力模型需要的初始条件、开边界和动边界：初始条件给定初始时刻的水位及流速，开边界由中国近海潮波数学模型提供水位变化条件，动边界考虑因涨落潮引起的边滩干湿交替，采用干湿法控制动边界处理；(6)利用构造的潮流动力数学模型进行计算，得到目标海域的潮流流速和流向的变化过程，与实测资料进行比对、验证；若模拟结果和实测资料的误差不满足要求，调整边界条件和底摩阻参数；(7)根据水深、流速条件，选择潮流能水轮机机型；根据步骤(6)数值模拟结果，分析目标海域内潮流流速时间累计分布，在潮流能蕴藏量丰富且水深、地形合适布置水轮机的地方设置潮流能水轮机阵列；(8)确定水轮机阵列布置位置后，在潮流动力模型中引入和潮流流速及水轮机机型相关联的随时间变化的拖曳力系数修正公式，在此基础上进行数值计算：根据水轮机在水流流速小于切入流速时保持静止和水流流速大于切出流速时转速保持恒定的特点，拖曳力系数在水流流速小于切入流速时或大于切出流速时应保持为常数，该常数的确定根据采用的水轮机机型的拖曳力离散值确定；拖曳力函数在水流流速大于切入流速、小于切出流速时，根据所采用的水轮机机型提供的拖曳力离散值使用最小二乘法拟合得到；在数值计算的每一个时间步内，根据初始流场流速确定拖曳力项，再将拖曳力项带回模型中，逐步迭代求解该时间步的流速场变量；(9)通过可视化技术将潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响直观表示出来；并根据水轮机机组的发电功率曲线计算发电量。