[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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及海洋能开发和利用领域，具体涉及一种潮流能水轮机阵列水动力影响数值模拟方法。

背景技术

海洋能与常规化石能源不同，其能够利用海洋提取能量，产生电能而不产生废气和废热，不污染生态环境。其中，潮流能因为预报准确性较高、连续供能好、蕴藏量和能流密度大等优势，越来越引起重视，其分布范围广，已经成为海洋能开发和利用的重要组成部分。合理的开发潮流能是解决沿海地区资源短缺的重要手段，对促进我国经济可持续发展具有重要意义。

为获得经济效益，实际应用中，潮流能水轮机往往成阵列布置，而布置过程中会考虑海域水深地形条件；水轮机阵列的布置也会对海域的水深地形条件产生不同影响，从而影响潮流能开发效益。因此，为了更好保护海域环境、提高开发效益，正确的评估潮流能水轮机阵列对周围海域的水动力影响对于潮流能的开发和利用具有重大的意义，水动力环境的改变会影响周围海域的泥沙输运、生态环境和海洋功能等。

然而，目前对于流场中水轮机阵列的水动力影响主要是通过静态概化数值模拟的方法实现的，在数值模型中使用的拖曳力项保持为常数，即将水轮机阵列近似为静止的桩柱来考虑其对流场的拖曳力。而在实际情况中，当水轮机在潮流驱动下运作发电时，由于叶片转动提取潮流能会对流场产生额外的拖曳力(能量损耗)，即拖曳力项会随水轮机所在位置的潮流流速发生变化，可见静态概化数值模拟水轮机阵列的水动力影响忽略了水轮机运作发电所产生的拖曳力。因此，这种静态的水轮机概化模拟方法是一种不精确的近似方法，不符合水轮机阵列对周围流场影响的实际情况。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供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，利用潮流动力模型，基于动态概化，即引入随潮流流速变化的拖曳力修正公式，模拟潮流能水轮机阵列布置后的周围海域的流速、流向分布，从而正确认识潮流能水轮机阵列的水动力影响，为潮流能合理开发和利用奠定基础。

技术方案：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,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；