一种基于OpenFAST-OpenFOAM的漂浮式风机一体化耦合计算方法

本发明涉及一种基于openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法，主要应用于复杂海况下漂浮式风机结构动力响应分析。

背景技术：

1、目前对浮式风机系统全耦合分析的软件多数是基于已有的陆上风机模拟程序，添加浮式平台和锚泊系统的模拟，另外还有一部分是在原有浮式平台水动力模拟代码的基础上增加风力机气动模拟模块。目前主要研究方法有：1.势流理论与叶素动量理论相结合。2.cfd一体化数值仿真。

2、目前，基于势流理论与叶素动量理论的漂浮式风机风-浪一体化分析软件主要包括美国国家可再生能源实验室(national renewable energy laboratory,nrel)开发的开源软件openfast、挪威船级社(det norske veritas,dnv)开发的bladed以及丹麦科技大学(technical university of denmark,dtu)开发的hawc2及flex5等。除此以外，还有不少学者通过数据交互的方式综合不同软件的优势，如nrel开发的openfast-orcaflex，dnv开发的bladed-sesam，得克萨斯农工大学(texas a&m university,tamu)开发的charm3d-fast等。但是基于势流理论的计算方法忽略了流体的粘性，且无法准确计算聚焦波、破碎波等非线性波浪。

3、随着计算机技术的快速发展，计算流体力学(cfd)在风机气动、水动力学领域取得了突飞猛进的成果：有学者通过重叠网格及滑移网格技术实现了全尺度浮式风机水-气耦合流场计算；为了降低计算成本，也有学者通过结合重叠网格与致动线方法，实现了浮式风机全耦合分析。相比于势流理论，粘性cfd计算方法可以较真实的还原真实流场情况，并具有流场信息丰富，计算精度高，准确性强等优势，可用于计算波浪破碎，聚焦波等复杂海况下浮式风机的结构响应与流场、水动力荷载特征。但是其计算效率较低，且忽视了风机控制系统与柔性结构变形。

4、基于以上的考虑，亟需一种可以考虑计算精度的同时兼顾计算效率的漂浮式风机一体化耦合计算方法，用于计算复杂海况下浮式风机结构动力响应。

技术实现思路

1、针对cfd浮式风机数值计算模型计算效率低，且未考虑风机正常运行工况下风机控制模块与结构变形的相关问题。本发明提供了一种基于openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法。本发明方法通过在openfast和openfoam中分别构建风机上部结构计算模型与风机浮体计算模型，通过浮体运动数据与塔基荷载的数据交互，完成风-浪全耦合浮式风机结构动力响应计算，为实际工程复杂海况下浮式风机运行提供参考。

2、为实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：

3、一种基于openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法，基于实尺度浮式风机模型参数，在openfast&openfoam中分别构建浮式风机上部结构与风机浮体计算模型，以动态链接库的形式在openfoam中对openfast程序进行调用，对风机浮体的运动学数据及风机塔基的荷载数据进行坐标系变换后交互耦合，完成风机上部结构的气动荷载及多体动力学计算，更新风机浮体的六自由度运动，最终得到浮式风机发电功率、叶片推力、转子转速、塔架位移、浮体六自由度运动、系泊张力等数据。

4、上述技术方案中，进一步地，所述耦合计算方法具体为：

5、获取前一时间步下openfoam中风机浮体的运动学参数(包括六自由度位移、速度、加速度等)，将运动学参数从openfoam计算域所在的全局坐标系转换至openfast计算所需的局部坐标系；

6、openfast根据前一时刻的风机浮体的运动学参数，进行时间推进，获得当前时刻风机浮体的六自由度位移、速度和加速度数据；基于当前时刻风机叶片所受的气动荷载，分别计算风机叶片、机舱、轮毂和塔架的广义惯性力，从而得到风机塔基的力与弯矩荷载；基于所述风机浮体的六自由度位移、速度和加速度数据以及所述风机叶片、机舱、轮毂和塔架的广义惯性力，求解多体结构运动学方程，得到浮式风机发电功率、叶片推力、转子转速和塔架位移；

7、将从openfast中得到的风机塔基的力与弯矩荷载从局部坐标系转换到openfoam的全局坐标系，并作用于风机浮体对应的位置处(塔基为浮体与上部结构的交界处，荷载从上部结构传递到浮体后，作用点的坐标是相同的)；在openfoam中进行风机浮体的水动力荷载与系泊恢复力的计算，更新当前时间步下风机浮体的运动。

8、进一步地，所述风机上部结构计算模型为：

9、对于风机上部结构(叶片、机舱、轮毂及塔架)，基于kane动力学方法建立运动学方程，具体如下：

10、

11、其中fr*为广义惯性力矢量，fr为广义主动力矢量。

12、所述风机浮体计算模型为：

13、对于浮式平台，其运动学方程如下：

14、

15、其中q、以及分别为广义的刚体位移、速度以及加速度；τ为广义力的向量；h为广义惯性矩阵，为位移q的函数；c为广义偏置力矩阵，为位移与速度的函数。

16、进一步地，openfast&openfoam交互数据时需根据所在坐标系的不同对运动数据及荷载数据进行坐标变换，具体方法为：基于欧拉角变换，将openfoam计算域中风机浮体的六自由度位移、速度、加速度数据从全局坐标系中转换到基于openfast的referfencepoint的局部坐标系，将openfast中的风机塔基的力与弯矩荷载数据从局部坐标系转换到openfoam的全局坐标系中。

17、进一步地，所述的风机浮体水动力荷载及系泊恢复力在openfoam流场计算中得到，风机上部结构气动荷载在openfast中计算得到。

18、进一步地，所述的openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法可用于计算破碎波与聚焦波等非线性波浪，并用于浮式风机运动响应及荷载分布特征分析。在耦合程序中考虑了风机控制系统与叶片、塔基等柔性结构的变形。

19、本发明的有益之处在于：

20、openfast与openfoam的耦合可用于风-浪工况下浮式风机的动力响应分析，相比于openfast/bladed/hawc2等基于势流理论的软件，本发明可用于复杂海况如聚焦波，破碎波等工况计算，相比于全尺度cfd模拟，本发明考虑了风机控制系统与叶片、塔基等柔性结构的变形，并提升了复杂海况下浮式风机全耦合分析的计算效率。

技术特征：

1.一种基于openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法，其特征在于：

3.根据权利要求1所述的基于openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法，其特征在于：在openfast与openfoam耦合计算风机浮体的运动学参数与风机塔基的力与弯矩荷载时，需进行局部坐标系与全局坐标系的坐标变换，具体方法为：基于欧拉角变换，将openfoam计算域中得到的风机浮体的六自由度位移、速度和加速度数据从全局坐标系转换到openfast所在的局部坐标系；将openfast中得到的风机塔基的力与弯矩荷载数据从局部坐标系转换到openfoam的全局坐标系中。

4.根据权利要求1所述的基于openfast-openfoam的漂浮式风机一体化耦合计算方法，其特征在于：在耦合计算中，水动力荷载通过piso算法对速度、压力场方程求解得到，系泊恢复力通过基于有限元方法的锚泊动力学模块得到。

技术总结本发明公开了一种基于OpenFAST‑OpenFOAM的漂浮式风机一体化耦合计算方法。该方法步骤为：(1)OpenFOAM将前一时刻风机浮体的六自由度位移，速度，加速度传递给OpenFAST；(2)OpenFAST接收风机浮体的运动数据，进行时间推进，计算风机上部结构所受气动载荷，进而得到塔基荷载，并求解多体结构运动学方程得到风机上部结构的运动响应；(3)OpenFAST将塔基荷载传递并作用于风机浮体对应的位置处，进行当前时间步水动力荷载、系泊载荷计算并更新浮体运动。该方法实现了开源风机一体化分析代码OpenFAST与计算流体力学代码OpenFOAM之间的耦合计算，实现了漂浮式风机浮体运动数据与塔基荷载之间的数据交互，极大地减小了CFD全尺度浮式风机一体化分析的运行时间，并且考虑了风机正常发电工况的控制与柔性结构变形。技术研发人员：高洋洋,陈彦宁,王立忠受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5