海上漂浮式风机的数值模拟方法及装置

权利要求书： 1.一种海上漂浮式风机的数值模拟方法，其特征在于，包括：基于研究需求从计算域中选定内域、外域以及所述内域与外域之间的耦合区域；

基于势流理论的数值方法计算所述耦合区域的流体速度；

对所述耦合区域的流体速度进行耦合；

根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，基于势流理论的数值方法计算所述耦合区域的流体速度，包括：利用公式一计算出所述耦合区域的流体速度，公式一：其中，r为某点至海上漂浮式风机圆筒圆心的距离，a为海上漂浮式风机圆筒的半径，U(t)为无穷远处来流，θ为某点与来流之间的夹角。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述耦合区域的流体速度进行耦合，包括：利用公式二对所述耦合区域的流体速度进行耦合，公式二：ψ＝χ(δ)ψtarget+[1?χ(δ)]ψcom，其中，ψ∈{u，v，w，α}，流体速度(u，v，w)和体积分数函数α，ψtarget为由势流求解器得到的在不同空间的不同时间的目标解；ψcom为在粒子法中通过求解式得到的数值解，χ为权重因子。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，包括：所述权重因子χ根据公式三获得，公式三： 其中，δ∈[0，

1]，为局部坐标，且 β为耦合区域强度形状因子。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型，包括：将耦合后的流体速度作为边界条件输入至粒子法的离散控制方程以建立所述内域数值模拟模型。

6.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括：在对所述耦合区域的流体速度进行耦合之前，对所述耦合区域上的多个点的流体速度以及体积分数函数进行差值取值。

7.一种海上漂浮式风机的数值模拟装置，其特征在于，包括：选定模块，用于基于研究需求从计算域中选定内域、外域以及所述内域与外域之间的耦合区域；

计算模块，用于基于势流理论的数值方法计算所述耦合区域的流体速度；

耦合模块，用于对所述耦合区域的流体速度进行耦合；

模拟模块，用于根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算模块用于：利用公式一计算出所述耦合区域的流体速度，公式一：其中，r为某点至海上漂浮式风机圆筒圆心的距离，a为海上漂浮式风机圆筒的半径，U(t)为无穷远处来流，θ为某点与来流之间的夹角。

9.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述耦合模块用于：利用公式二对所述耦合区域的流体速度进行耦合，公式二：ψ＝χ(δ)ψtarget+[1?χ(δ)]ψcom，其中，ψ∈{u，υ，ω，α}，流体速度(u，v，w)和体积分数函数α，ψtarget为由势流求解器得到的在不同空间的不同时间的目标解；ψcom为在粒子法中通过求解式得到的数值解，χ为权重因子。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，包括：所述权重因子χ根据公式三获得，公式三： 其中，δ∈[0，

1]，为局部坐标，且 β为耦合区域强度形状因子。

11.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述模拟模块，用于：将耦合后的流体速度作为边界条件输入至粒子法的离散控制方程以建立所述内域数值模拟模型。

12.如权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：差值计算模块，用于在对所述耦合区域的流体速度进行耦合之前，对所述耦合区域上的多个点的流体速度以及体积分数函数进行差值取值。

说明书： 一种海上漂浮式风机的数值模拟方法及装置技术领域[0001] 本发明属于流体力学计算领域，更具体地，涉及一种海上漂浮式风机的数值模拟方法及装置。背景技术[0002] 自70年代初以来，可再生能源在世界一次能源供应总量中逐渐占据重要地位，具体来说，在近年来，可再生能源一直是全球发电量的第二大贡献者。由于风力资源的开发过程的较为简单，可开发量大，从而脱颖而出。近年来，由于海上风速更大且更稳定，因此人们逐渐将研究重点转向海上风电的发展，同时关于海上漂浮式风机(FOWT)的研究越来越多，其中水动力荷载的计算受到众多关注和讨论，较为常用的计算方法为基于势流理论的数值计算方法和粒子法。[0003] 基于势流理论的数值方法可以快速计算波浪的传播及其对建筑物的作用，但是势流理论是基于波浪的无黏性假设的，而在工程中，通常需要在固体边界及波浪破碎的区域考虑黏性效应，因此基于势流理论的数值方法对于复杂的水工结构势流理论计算方法不太准确。[0004] 粒子法(SPH)作为拉格朗日无网格粒子方法，一般将流体域离散成紧凑的拉格朗日粒子，每个粒子均具有相应的质量和体积，通过粒子求和代替核近似中的积分，也称“粒子近似”。基于核近似理论和粒子近似理论，SPH方法可对控制方程进行离散求解，为获得更高的压力场、速度场计算精度，可在离散控制方程中进一步添加耗散项，随后，在特定的初始条件和边界条件下，将离散控制方程在时域内进行积分，可获得SPH控制方程的数值解。SPH在捕捉多项界面和流固?耦合界面时具有较高的精度和强鲁棒性，可以准确的计算自由液面翻卷、波的反射、衍射、破碎和喷溅等复杂情况下的水动力荷载，但由于计算数据的庞大，计算时间通常比较长，不经济。

[0005] 现有专利CN108846225A公开了一种应用于直升机水上迫降的SPH波浪模拟方法，该方法依据水动力学规律，根据波浪形状给定典型波浪的波形，根据波形直接计算出波浪水域各处水粒子的运动和动力学参数，包括速度、加速度和压强等，而无需预先造波计算，达到推板造波的效果。[0006] 现有专利CN110083866A公开了一种建筑物内部水淹的模拟系统及方法，该方法基于SPH采用无网格的光滑粒子动力学方法进行水动力数学模型的建模，模拟水淹三维动态过程，避免了网格方法在水体翻转、破碎等复杂情况下追踪自由液面时易于产生失真的不足。[0007] 上述两个专利中采用SPH方法计算水动力荷载，计算精度较为理想，但未解决通过SPH方法计算复杂水工结构水动力时出现的计算数据庞大、计算效率较低的问题。发明内容[0008] 基于上述技术问题，本申请提出一种海上漂浮式风机的数值模拟方法及装置，以同时提升复杂水工结构下对水动力进行数值模拟的效率和精度。[0009] 根据本发明的一个方面，本申请提出一种海上漂浮式风机的数值模拟方法，包括：[0010] 基于研究需求从计算域中选定内域、外域以及内域与外域之间的耦合区域；[0011] 基于势流理论的数值方法计算耦合区域的流体速度；[0012] 对耦合区域的流体速度进行耦合；[0013] 根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型。[0014] 可选的，基于势流理论的数值方法计算耦合区域的流体速度，包括：[0015] 利用公式一计算出耦合区域的流体速度，公式一：其中，r为某点至海上漂浮式风机圆筒圆心的距离，a为

海上漂浮式风机圆筒的半径，U(t)为无穷远处来流，θ为某点与来流之间的夹角。

[0016] 可选的，对耦合区域的流体速度进行耦合，包括：[0017] 利用公式二对耦合区域的流体速度进行耦合，公式二：ψ＝χ(δ)ψtarget+[1?χ(δ)]ψcom，其中，ψ∈{u，v，w，α}，流体速度(u，v，w)和体积分数函数α，ψtarget为由势流求解器得到的在不同空间的不同时间的目标解；ψcom为在粒子法中通过求解式得到的数值解，χ为权重因子。[0018] 可选的，该方法还包括：[0019] 权重因子χ根据公式三获得，公式三： 其中，δ∈[0，1]，为局部坐标，且 β为耦合区域强度形状因子。

[0020] 可选的，根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型，包括：[0021] 将耦合后的流体速度作为边界条件输入至粒子法的离散控制方程以建立内域数值模拟模型。[0022] 可选的，该方法还包括：[0023] 在对耦合区域的流体速度进行耦合之前，对耦合区域上的多个点的流体速度以及体积分数函数进行差值取值。[0024] 基于上述技术方案，海上漂浮式风机的数值模拟方法至少具有如下有益效果：[0025] 1、本发明中通过将计算域划分为内域、外域、耦合区域，利用耦合区域将基于势流理论产生的波浪信号特征传递至基于粒子法建立的内域数值模型，可同时提高水动力荷载计算精确度及计算效率。[0026] 2、本发明中基于势流理论和粒子法提出一种新的水动力数值模拟方法，其中汲取了势流理论和粒子法的优势，可解决单独使用粒子法时引起的计算效率较低的问题，同时更适用于复杂水工结构水动力的数值模拟。[0027] 根据本发明的另一方面，本申请还提出一种海上漂浮式风机的数值模拟装置，包括：[0028] 选定模块，用于基于研究需求从计算域中选定内域、外域以及内域与外域之间的耦合区域；[0029] 计算模块，用于基于势流理论的数值方法计算耦合区域的流体速度；[0030] 耦合模块，用于对耦合区域的流体速度进行耦合；[0031] 模拟模块，用于根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型。[0032] 可选的，计算模块用于：[0033] 利用公式一计算出耦合区域的流体速度，公式一：其中，r为某点至海上漂浮式风机圆筒圆心的距离，a为

海上漂浮式风机圆筒的半径，U(t)为无穷远处来流，θ为某点与来流之间的夹角。

[0034] 可选的，耦合模块用于：[0035] 利用公式二对耦合区域的流体速度进行耦合，公式二：ψ＝χ(δ)ψtarget+[1?χ(δ)]ψcom，其中，ψ∈{u，v，w，α}，流体速度(u，v，w)和体积分数函数α，ψtarget为由势流求解器得到的在不同空间的不同时间的目标解；ψcom为在粒子法中通过求解式得到的数值解，χ为权重因子。[0036] 可选的，该装置还包括：[0037] 权重因子χ根据公式三获得，公式三： 其中，δ∈[0，1]，为局部坐标，且 β为耦合区域强度形状因子。

[0038] 可选的，模拟模块，用于：将耦合后的流体速度作为边界条件输入至粒子法的离散控制方程以建立内域数值模拟模型。[0039] 可选的，该装置还包括：差值计算模块，用于在对耦合区域的流体速度进行耦合之前，对耦合区域上的多个点的流体速度以及体积分数函数进行差值取值。[0040] 基于上述技术方案，海上漂浮式风机的数值模拟装置至少具有如下有益效果：[0041] 1、本发明中通过将计算域划分为内域、外域、耦合区域，利用耦合区域将基于势流理论产生的波浪信号特征传递至基于粒子法建立的内域数值模型，可同时提高水动力荷载计算精确度及计算效率。[0042] 2、本发明中基于势流理论和粒子法提出一种新的水动力数值模拟装置，其中汲取了势流理论和粒子法的优势，可解决单独使用粒子法时引起的计算效率较低的问题，同时更适用于复杂水工结构水动力的数值模拟。附图说明[0043] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：[0044] 图1是本申请一个实施例的海上漂浮式风机的数值模拟方法的流程图；[0045] 图2是本申请一个具体实施例的各计算域的位置选取示意图；[0046] 图3是本申请一个实施例的势流理论计算的效果示意图；[0047] 图4是本申请另一个实施例的海上漂浮式风机的数值模拟方法的流程图；[0048] 图5是本申请一个实施例的海上漂浮式风机的数值模拟装置示意图；[0049] 图6是本申请另一个实施例的海上漂浮式风机的数值模拟装置示意图。具体实施方式[0050] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。[0051] 以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。[0052] 在描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。[0053] 实施例[0054] 为同时提升复杂水工结构下对水动力进行数值模拟的效率和精度，根据本发明的一个方面，本申请提出一种海上漂浮式风机的数值模拟方法。[0055] 在图1中示出了本申请一个实施例的海上漂浮式风机的数值模拟方法流程图，如图1所示，该方法包括如下步骤：[0056] S1，基于研究需求从计算域中选定内域、外域以及内域与外域之间的耦合区域。[0057] 具体的，由于海上风机一般以圆柱塔架受到的水动力荷载作为计算目标，故本申请中采用圆筒作为计算域边界形状，如图2所示，在该区域内选取划分内域1、外域2、耦合区域3。[0058] 其中，耦合区域3可视为内域1数值计算时所使用的松弛区域，通过耦合区域3将基于势流理论产生的波浪信号特征如速度、加速度等传递至基于粒子法建立的内域数值模型，从而提高计算效率的准确度。[0059] S2，基于势流理论的数值方法计算耦合区域的流体速度。[0060] 具体的，基于势流理论的数值方法通过以下方式推导得出：如图3所示的半径为a的圆柱体，置于速度为U(t)的流场中，其柱坐标下的速度势函数的Laplace方程为：[0061] 其中，r为某点至海上漂浮式风机圆筒圆心的距离，a为海上漂浮式风机圆筒的半径，θ为某点与来流之间的夹角，z表示z方向。[0062] 速度分量与速度势函数的关系为：[0063][0064] 根据速度分量与速度势函数的关系可得出Laplace方程的解，即可得到基于势流理论的数值方法，如公式一：[0065][0066] 其中，U(t)为无穷远处来流，对波浪而言，U(t)是周期为T的正弦函数。[0067] 根据上述公式一可计算出耦合区域2的流体速度。[0068] S3，对耦合区域的流体速度进行耦合。[0069] 本申请中将采用单向耦合的方法在耦合区域3进行耦合，使得内域1只接受来自外域2的波浪信号，而不会对外域波浪场产生干扰。[0070] 具体的，在耦合区域中，每个时间步的流体速度(u，v，w)和体积分数函数α根据公式二计算：[0071] ψ＝χ(δ)ψtarget+[1?χ(δ)]ψcom公式二[0072] 其中，ψ∈{u，v，w，α}，ψtarget是由势流求解器，即公式一求解得到的在不同空间的不同时间的目标解；χ为权重因子，ψcom是在粒子法中通过求解式得到的数值解。[0073] 权重因子χ根据公式三获得：[0074][0075] 其中，δ∈[0，1]，为局部坐标，且 β为耦合区域强度形状因子。

[0076] 具体的，β的取值对耦合区域内模拟的结果影响很小，通过公式二和公式三可以确保在外域边界，即δ＝0时的目标解ψ＝ψtarget，内域的反射和散射波在向外域边界传播的过程中逐步衰减至目标波浪，从而避免内域对外域边界的影响，即对耦合区域的流体速度进行单向耦合。[0077] ψcom为依据粒子法的离散方程公式四求解得出，具体内容如下：[0078][0079][0080][0081][0082] 其中，ρ，u，p，r，分别表示密度、速度、压力、位置矢量和体积；下标i和j表示粒子编号；g，T，μ分别表示重力加速度、应力张量和动力黏性系数；W为核函数；h为光滑长度；c0，ρ0分别为流体声速及其参考密度。[0083] 根据该离散控制方程可求得关于u，，W的解，即ψcom。[0084] S4，根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型。[0085] 将耦合后的流体速度作为边界条件输入至粒子法的离散控制方程，即输入至公式四中，建立内域数值模拟模型。[0086] 在另一个实施例中，如图4所示，方法还包括：[0087] S5，对所述耦合区域上的多个点的流体速度以及体积分数函数进行差值取值。[0088] 需要注意的是，由于基于势流理论计算时所划分的网格尺寸较大，数据较少，而粒子法所需数据庞大，因此在对耦合区域的流体速度进行耦合之前，需对由势流理论计算得到的流体速度(u，v，w)和体积分数函数α进行差值取值，以获得足够多的数据参与内域粒子法的计算，进而提升内域粒子法的计算效率。[0089] 总之，从以上的描述中可以看出，海上漂浮式风机的数值模拟方法的上述实施例实现如下技术效果：[0090] 1、本发明中通过将计算域划分为内域、外域、耦合区域，利用耦合区域将基于势流理论产生的波浪信号特征传递至基于粒子法建立的内域数值模型，可同时提高水动力荷载计算精确度及计算效率。[0091] 2、本发明中基于势流理论和粒子法提出一种新的水动力数值模拟方法，其中汲取了势流理论和粒子法的优势，可解决单独使用粒子法时引起的计算效率较低的问题，同时更适用于复杂水工结构水动力的数值模拟。[0092] 根据本发明的另一方面，本申请还提出一种海上漂浮式风机的数值模拟装置，如图5所示，该装置包括选定模块41、计算模块42、耦合模块43和模拟模块44。[0093] 选定模块41，用于基于研究需求从计算域中选定内域、外域以及内域与外域之间的耦合区域。[0094] 计算模块42，用于基于势流理论的数值方法计算耦合区域的流体速度。[0095] 具体的，计算模块42用于：[0096] 利用公式一计算出耦合区域的流体速度，公式一：其中，r为某点至海上漂浮式风机圆筒圆心的距离，a为

海上漂浮式风机圆筒的半径，U(t)为无穷远处来流，θ为某点与来流之间的夹角。

[0097] 耦合模块43，用于对耦合区域的流体速度进行耦合。[0098] 具体的，耦合模块43用于：[0099] 利用公式二对耦合区域的流体速度进行耦合，公式二：ψ＝χ(δ)ψtarget+[1?χ(δ)]ψcom，其中，ψ∈{u，v，w，α}，流体速度(u，v，w)和体积分数函数α，ψtarget为由势流求解器得到的在不同空间的不同时间的目标解；ψcom为在粒子法中通过求解式得到的数值解，χ为权重因子。[0100] 进一步的，权重因子χ根据公式三获得，公式三：其中，δ∈[0，1]，为局部坐标，且 β为耦合区域强度形状因子。

[0101] 模拟模块44，用于根据耦合后的流体速度，利用粒子法建立内域数值模拟模型。[0102] 具体的，模拟模块44用于：将耦合后的流体速度作为边界条件输入至粒子法的离散控制方程以建立内域数值模拟模型。[0103] 在另一个实施例中，如图6所示，装置还包括差值计算模块45。[0104] 差值计算模块45，用于在对耦合区域的流体速度进行耦合之前，需要对耦合区域上的多个点的流体速度以及体积分数函数进行差值取值，以获得足够多的数据参与内域粒子法的计算，进而提升内域粒子法的计算效率。[0105] 应当理解的是，基于海上漂浮式风机的数值模拟装置与基于海上漂浮式风机的数值模拟方法的实施例描述一致，故本实施例中不再赘述。[0106] 总之，从以上的描述中可以看出，海上漂浮式风机的数值模拟装置的上述实施例实现如下技术效果：[0107] 1、本发明中通过将计算域划分为内域、外域、耦合区域，利用耦合区域将基于势流理论产生的波浪信号特征传递至基于粒子法建立的内域数值模型，可同时提高水动力荷载计算精确度及计算效率。[0108] 2、本发明中基于势流理论和粒子法提出一种新的水动力数值模拟方法及其装置，其中汲取了势流理论和粒子法的优势，可解决单独使用粒子法时引起的计算效率较低的问题，同时更适用于复杂水工结构水动力的数值模拟。[0109] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之。