一种漂浮式风机的混合动网格模拟方法及装置与流程

本发明涉及计算流体力学，具体涉及一种漂浮式风机的混合动网格模拟方法及装置。

背景技术：

1、随着全球工业化进程的快速发展，人类对能源的需求也在不断加大，长期以来依靠煤、石油、天然气等传统不可再生资源成本较高，而且在开采及工业化进程中会产生大量有害物质，对环境和人类生存造成巨大危害。因此，近年来，人们对可再生能源加大了探索力度和研究深度，风能作为一种可持续发展的可再生能源，拥有节能环保、无污染的优势，已在全球范围内引起了非常大的重视。为了获得更多风能需要发展大型风电场，陆上风电场的发展面临着土地资源稀缺、风电场风能资源有限、风速不平稳、噪声扰民等诸多问题，而电力需求较高的大都市地区大多都在沿海地区，由于，因此当前全球风电能研究热点已从陆地转移到海上。海上风电具有风速大、风垂直切变小、湍流强度小、有稳定的信号主导方向、年利用小时长等显著优势，因而海上风机的效率远高于陆地风机，海上风电具有更大的潜能。

2、根据基础类型的不同，可以将海上风机粗略分为两大类：一类是定桩式海上风机，适用于水深低于60米的近海海域；另一类是基于漂浮式平台的海上风机，适用于深海海域。近年来随着海上风机的单机功率大型化和海上风场走向深远海，漂浮式风机技术正成为热点研究方向之一，不断涌现出新形式。然而，漂浮式风机相比陆上风机和海上定桩式风机存在更多的技术难题，在海洋环境中，同时受到风、浪、流等环境荷载的作用，使得风电机组产生纵摇和横摇运动，有时运动幅度很大。在进行风力机的设计过程中，需要对风力机进行数值仿真。风力机气动特性的计算方法主要有三种，叶素动量理论法(bem)、基于漩涡理论的加速势方法(gdw)、计算流体力学方法(cfd)。而数值格式、湍流模型与计算网格是影响计算流体力学(cfd)模拟精度的主要因素。在应用实践中很难说网格的生成具有统一的标准，在大多数情况下网格的质量都是随着使用者的习惯发生改变的。另一方面，大多数通用型网格划分方式在实际应用中都会遇到与流态不能很好匹配的问题，导致计算结果误差扩大、与网格相关性较强。

3、现有专利cn113094837a公开了一种基于强风作用下水平轴风力机叶片的抗风设计方法，包括首先利用profili软件选取叶片型号；其次将数据导入到excel中处理数据；将三维数据导入到sw软件绘制风力机的整体模型，然后对整体计算域进行网格划分；验证网格独立性并在fluent中检查网格质量，避免负体积出现；最后进行数值模拟计算的具体设置，设置模拟的具体边界条件。该方法中引入线弹性有限元模型处理流体域变形，在数值模拟过程中采用多参考系模型的稳态求解方法，解决旋转域与静止域的分界面的问题。

4、现有专利cn115618698a公开了一种基于跌落场景的有限元仿真方法、电子设备和存储介质，其获取用于构建跌落场景的几何模型；使用六面体实体网格对几何模型进行网格划分；其次完成网格与超级计算机节点的匹配；对每个网格的属性和材料参数进行设置并构建接触关系，设置边界条件，得到待计算的模型；最后对模型进行计算求解，如果检测到由于负体积问题导致的计算终止错误，则获取负体积问题对应的网格id，以及获取主要变形方向；基于获取的网格id获取目标网格，在发生负体积问题的网格中加入了弱弹簧单元，避免在跌落仿真过程中，被分析对象的有限元模型单元在受到冲击之后容易出现负体积问题而使得计算终止的问题。

5、上述两个专利均是通过有限元模型处理流体变形，整体计算复杂度较高，计算速度较慢，该方法更依赖于网格，当流体边界发生变化或者流体流动发生大幅度变化时，需要重新生成网格，计算代价较大。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本发明提出一种漂浮式风机的混合动网格模拟方法及装置，解决现有技术中网格生成质量较差、计算复杂度较高及网格划分方式与流态匹配性较差的问题。

2、为实现上述目的，本发明提出一种漂浮式风机的混合动网格模拟方法，该方法包括：

3、获取漂浮式风机的外形数据文件；

4、根据所述外形数据文件，并通过八叉树数据结构建立所述漂浮式风机所在计算域的笛卡尔网格；

5、基于所述笛卡尔网格，采用重叠网格插值算法计算模拟风机运动，并确定近场网格边界；

6、判断所述近场网格边界与背景网格边界之间的距离是否超出预设阈值；

7、如果超出所述预设阈值，则采用扩散方程的动网格计算模拟风机运动；

8、如果未超出所述预设阈值，则继续采用重叠网格插值计算模拟风机运动。

9、进一步地，根据所述外形数据文件，并通过八叉树数据结构建立所述漂浮式风机所在计算域的笛卡尔网格，包括：

10、获取所述外形数据文件中的几何尺寸信息，并根据所述几何尺寸信息确定计算域；

11、基于所述计算域设定网格边长，并根据所述网格边长通过八叉树数据结构划分网格，以形成初始离散网格；

12、对所述初始离散网格进行加密操作。

13、进一步地，对所述初始离散网格进行加密操作，包括：

14、确定与风机物面相交的网格和过渡层网格，对所述与风机物面相交的网格和所述过渡层网格进行预设次数的加密。

15、进一步地，对所述初始离散网格进行加密操作，还包括：

16、确定相邻两个与风机物面相交的网格之间的法向矢量夹角；

17、当所述法向矢量夹角大于预设阈值时，对所述两个与风机物面相交的网格进行加密。

18、进一步地，对所述初始离散网格进行加密操作，还包括：

19、确定目标网格与所述目标网格的邻居网格之间的层次差；

20、对所述层次差大于1的邻居网格进行加密，直至所述层次差等于1。

21、进一步地，所述扩散方程通过公式一或公式二表示，公式一：公式二：

22、为实现上述目的，本发明还提出一种漂浮式风机的混合动网格模拟装置，包括：

23、获取模块，用于获取漂浮式风机的外形数据文件；

24、建立模块，用于根据所述外形数据文件，并通过八叉树数据结构建立所述漂浮式风机所在计算域的笛卡尔网格；

25、确定模块，用于基于所述笛卡尔网格，采用重叠网格插值算法计算模拟风机运动，并确定近场网格边界；

26、判断模块，用于判断所述近场网格边界与背景网格边界之间的距离是否超出预设阈值；

27、第一计算模块，用于如果超出所述预设阈值，则采用扩散方程的动网格计算模拟风机运动；

28、第二计算模块，用于如果未超出所述预设阈值，则继续采用重叠网格插值计算模拟风机运动。

29、进一步地，所述建立模块，用于：

30、获取所述外形数据文件中的几何尺寸信息，并根据所述几何尺寸信息确定计算域；

31、基于所述计算域设定网格边长，并根据所述网格边长通过八叉树数据结构划分网格，以形成初始离散网格；

32、对所述初始离散网格进行加密操作。

33、进一步地，对所述初始离散网格进行加密操作，包括：

34、确定与风机物面相交的网格和过渡层网格，对所述与风机物面相交的网格和所述过渡层网格进行预设次数的加密。

35、进一步地，对所述初始离散网格进行加密操作，还包括：

36、确定相邻两个与风机物面相交的网格之间的法向矢量夹角；

37、当所述法向矢量夹角大于预设阈值时，对所述两个与风机物面相交的网格进行加密。

38、进一步地，对所述初始离散网格进行加密操作，还包括：

39、确定目标网格与所述目标网格的邻居网格之间的层次差；

40、对所述层次差大于1的邻居网格进行加密，直至所述层次差等于1。进一步地，所述扩散方程通过公式一或公式二表示，公式一：公式二：

41、基于上述技术方案，一种漂浮式风机的混合动网格模拟方法及装置至少具有如下有益效果：

42、1、本发明结合重叠网格与传统动网格混合的算法，通过判断近场网格边界与背景网格边界之间的距离是否超出预设阈值，动态调整数值模拟算法，以提高数值计算的准确性和效率。

43、2、本发明中通过建立笛卡尔网格实现空间任意区域的网格自适应加密，能够根据流场特征对网格分辨率进行动态调整，避免出现负体积网格，同时利用网格的结构化特征简化网格单元的相邻关系，兼容结构化网格的高阶重构计算方法，从而获得较高的流场计算效率。

44、3、本发明中通过八叉树数据结构建立笛卡尔网格的信息存储和网格间的连接方式，该数据结构更便于进行自适应加密操作，同时可节省内存，提升遍历及流场计算效率。