一种海上风机CFD-FDEM双向流固耦合界面节点识别方法及系统

文档序号:39894360发布日期:2024-11-05 16:53阅读:20来源:国知局
一种海上风机CFD-FDEM双向流固耦合界面节点识别方法及系统

本公开涉及海上风机cfd-fdem数值模拟,具体涉及一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法及系统。


背景技术:

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。

2、海上风电资源丰富、风速稳定、节约土地、环境噪声制约小、适合大规模开发,是调整电力结构、减少对化石能源依赖的重要措施。

3、大型柔性风机叶片在风浪流作用下产生振动、变形,上部荷载通过基础传递到海床岩体,桩-岩之间相互作用造成海床岩体破碎、刚度衰减,岩体承载力弱化同时反作用于风机结构,在叶片结构的气动性能作用下,流体场也会受到风机运行状态的影响。因此,复杂海洋环境下的大型嵌岩单桩海上风机的动力响应是流体-风机-海床之间载荷互馈传递、响应同步迭代的多场耦合统一整体。

4、然而,现有针对海上风机安全分析方法将上部风机结构与下部基础独立计算,分离迭代,导致变形机理不明确、安全分析有偏差、整体成本不优化、运行安全有风险。包括现有安全分析方法多将风浪流荷载简化为水平力施加于风机结构,无法考虑流体荷载在时间和空间上的变化特征,也无法考虑海上风机与复杂外部环境(风浪和海床地质)的相互作用和互馈耦合机制。


技术实现思路

1、本公开为了解决上述问题,提出了一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法及系统,解决现有海上风机数值模拟方法中上部结构与下部基础独立计算、分离迭代的局限性,开发cfd-fdem双向流固耦合方法界面节点识别的方法,模拟风浪-风机双向流固耦合一体化,能够考虑风机固体域的开裂,可以更精确地模拟海上风机在运行过程中的受力变形情况。

2、根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:

3、一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,包括:

4、在fdem求解器中构建风机结构三维有限元模型,定义风机结构材料fdem参数以及风机结构边界条件,对风机结构划分有限元网格,并嵌入粘聚力裂纹单元;

5、在cfd求解器中建立风场流体域,设置风场边界条件,采用有限体积法将风场流体域划分网格,并在风机位置的壳体处进行网格加密;

6、从风场流体域网格单元数据中提取表面节点信息,进行网格单元重划分插入粘聚力单元,根据节点位置,计算网格重新划分后的节点编号,根据节点编号及位置进行双向流固耦合计算;

7、首先开始迭代,fdem求解器等待cfd求解器完成既定时间步迭代后开始进行接收流体域结果并开始求解,相同时间步求解完成后将结果传入cfd求解器开始下一轮迭代;

8、待fdem求解器完成设置的固定时间步后,输出风机结构应力、位移、速度以及产生的裂纹。

9、根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:

10、一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别系统,包括:

11、模型构建模块,用于在fdem求解器中构建风机结构三维有限元模型,定义风机结构材料fdem参数以及风机结构边界条件,对风机结构划分有限元网格,并嵌入粘聚力裂纹单元;在cfd求解器中建立风场流体域,设置风场边界条件,采用有限体积法将风场流体域划分网格,并在风机位置的壳体处进行网格加密;

12、计算模块,用于从风场流体域网格单元数据中提取表面节点信息,进行网格单元重划分插入粘聚力单元,根据节点位置,计算网格重新划分后的节点编号,根据节点编号及位置进行双向流固耦合计算;首先开始迭代,fdem求解器等待cfd求解器完成既定时间步迭代后开始进行接收流体域结果并开始求解,相同时间步求解完成后将结果传入cfd求解器开始下一轮迭代;待fdem求解器完成设置的固定时间步后,输出风机结构应力、位移、速度以及产生的裂纹。

13、根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:

14、一种非暂态计算机可读存储介质,所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时,实现所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法。

15、根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:

16、一种电子设备,包括:处理器、存储器以及计算机程序;其中,处理器与存储器连接,计算机程序被存储在存储器中,当电子设备运行时,所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序,以使电子设备执行实现所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法。

17、与现有技术相比,本公开的有益效果为:

18、本公开的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,能够考虑“流体-风机-海床”一体化的时域模拟方法,将风机结构、海床岩土体、风浪流体的相互作用综合考虑,能够考虑风机结构开裂变形,能够考虑海床岩体破裂、土体塑性变形后风机基础承载失效,能够更精确地模拟海上风机在正常风况下运行时的变形与受荷特征,以及在极端风况下的破坏失效模式。

19、本公开的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,固体求解器fdem综合了fem和dem的模拟优势,能够模拟材料从连续到破裂的变形过程;综合了cfd和fdem的数值方法优势,采用cfd模拟海洋环境流体载荷(风浪流),采用fdem模拟风机上部结构和下部基础。

20、本公开的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,除了能够计算风浪-风机相互作用外,还能够考虑岩基海床破裂失效以及风机结构振动变形,为揭示复杂海洋环境下海上风机多场耦合动力响应及破坏机理提供了可靠方法。



技术特征:

1.一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,其特征在于,包括:

2.如权利要求1所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,其特征在于,定义风机结构材料fdem参数,包括宏观材料属性、微观材料属性以及接触罚参数,其中,宏观材料属性为有限单元属性,包括密度、弹性模量、泊松比以及弹塑性相关属性;微观材料属性为粘聚力裂纹单元的损伤参数,包括抗拉强度、粘聚力、内摩擦角以及断裂能;接触罚参数分为有限单元的接触罚参数和粘聚力裂纹单元的罚参数。

3.如权利要求1所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,其特征在于,设置风机结构边界条件,在风机单桩结构中,在fdem中仅需固定单桩底端边界,环境载荷由cfd求解器提供。

4.如权利要求1所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,其特征在于,建立风场流体域,设置为长方体空间域,包括四个侧面、底面和顶面,风场流体域中的风机位置建立在壳体上,在风机单桩基础中,壳体为长方体;风场边界条件包括速度入口和压力出口。

5.如权利要求1所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,其特征在于,在cfd-fdem双向流固耦合计算中,cfd流体求解器先根据初始条件计算第n步下场内流速及压力场数据,通过调用precice开源程序库将流体域中壳网格表面上的压力场数据传递至固体求解器fdem,fdem根据所获取流场数据,计算风机结构单元的变形值及节点坐标位置点,并将其变形位移场数据通过precice开源程序库传回至流体求解器,同时依据固体变形后坐标更新流场shell边界几何点后,再进入第n+1步的模拟计算。

6.如权利要求5所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,其特征在于,fdem模型中各个单元上的流体力通过高斯面积分得到,每个高斯点处流体压力定义为与其距离最近的cfd体网格节点处的压力值;cfd体网格节点的位移和变形则通过其周围fdem网格节点的位移的形函数插值获取。

7.如权利要求1所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法,其特征在于,cfd-fdem求解方法为弱耦合的分离解法,按设定顺序在同一求解器或不同的求解器中分别求解流体控制方程和固体控制方程;fdem求解器采用显式求解,需设置计算每一步时间步长、总模拟时间步、流固耦合时间步长,同步运行两个求解器进行计算。

8.一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别系统,其特征在于,包括:

9.一种非暂态计算机可读存储介质,其特征在于,所述非暂态计算机可读存储介质用于存储计算机指令,所述计算机指令被处理器执行时,实现如权利要求1-7任一项所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法。

10.一种电子设备,其特征在于,包括:处理器、存储器以及计算机程序;其中,处理器与存储器连接,计算机程序被存储在存储器中,当电子设备运行时,所述处理器执行所述存储器存储的计算机程序,以使电子设备执行实现如权利要求1-7任一项所述的一种海上风机cfd-fdem双向流固耦合界面节点识别方法。


技术总结
本公开提供了一种海上风机CFD‑FDEM双向流固耦合界面节点识别方法及系统,涉及海上风机CFD‑FDEM数值模拟技术领域,包括:在FDEM求解器中构建风机结构三维有限元模型,在CFD求解器中建立风场流体域;从风场流体域网格单元数据中提取表面节点信息,进行网格单元重划分插入粘聚力单元,根据节点位置,计算网格重新划分后的节点编号,根据节点编号及位置进行双向流固耦合计算;首先开始迭代,FDEM求解器等待CFD求解器完成既定时间步迭代后开始进行接收流体域结果并开始求解,待FDEM求解器完成设置的固定时间步后,输出风机结构应力、位移、速度以及产生的裂纹。本公开可以更精确地模拟海上风机在运行过程中的受力变形情况。

技术研发人员:韩勃,张柏楠
受保护的技术使用者:山东大学
技术研发日:
技术公布日:2024/11/4
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