本發(fā)明屬于海洋波能利用，具體地涉及一種能量吸收/耗散式海洋結(jié)構(gòu)物高效水動力模擬方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球氣候變暖等環(huán)境問題的日益加劇，實現(xiàn)低碳經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展已成為全球關注的焦點。在眾多可再生能源中，波浪能因其儲量豐富、獲取方便等優(yōu)勢，成為重要的研究方向。其中，振蕩水柱式（owc）波能裝置由于其安裝便利、安全性高以及應對極端天氣能力強等獨特優(yōu)勢，在眾多波浪能技術(shù)中脫穎而出，近年來備受關注。

2、在學術(shù)研究方面，使用小氣孔替代owc裝置中的動力傳輸裝置（pto）阻尼是當前較為常用的研究方式。然而，由于氣孔本身尺寸較小，特別是在二維條件下為了保持阻尼效果相似，往往需要將模型中的開孔尺寸設置得極小。這在數(shù)值模擬過程中帶來了顯著的問題，即氣孔部分需要采用非常細密的網(wǎng)格，這不僅增加了網(wǎng)格總量，還要求使用極小的時間步長進行模擬。模擬所需的時間會呈指數(shù)型增長，導致計算效率極低，難以滿足實際工程應用的需求。且在現(xiàn)有已公開的多孔介質(zhì)應用領域研究中，這些研究大多集中在其他領域，對于將多孔介質(zhì)模型應用于owc裝置的氣孔和開孔板模擬尚未得到廣泛的關注和成熟的方法論。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對背景技術(shù)中存在的不足之處，本發(fā)明的目的是提出一種能量吸收/耗散式海洋結(jié)構(gòu)物高效水動力模擬方法，包括如下步驟：

2、步驟s1，獲取氣室內(nèi)的瞬時流量數(shù)據(jù)，結(jié)合線性阻力和非線性阻力，基于darcy-forchheimer方程確定水動力模擬方法；

3、步驟s2，對于施加開孔板的owc裝置，通過開孔板的孔隙率和幾何特性，結(jié)合經(jīng)驗公式計算開孔板的阻力系數(shù)；

4、步驟s3，重建owc裝置的重建幾何模型，并對幾何模型進行網(wǎng)格劃分，設置多孔介質(zhì)區(qū)域與插入源項，進行數(shù)值模擬，獲取幾何模型在不同波浪條件下的響應數(shù)據(jù)，最后驗證數(shù)值模型中流體動態(tài)行為的精準性和高效性。

5、優(yōu)選地，所述步驟s1中確定水動力模擬方法的具體過程包括：

6、步驟sa1，分別通過浪高儀實驗和數(shù)值模擬方法獲取氣室內(nèi)的實驗瞬時流量和模擬瞬時流量；

7、步驟sa2，將實驗瞬時流量和模擬瞬時流量進行雙重驗證與數(shù)據(jù)融合，得到瞬時流量數(shù)據(jù)；

8、步驟sa3，將瞬時流量數(shù)據(jù)及對應的局部壓力降數(shù)據(jù)，結(jié)合線性阻力和非線性阻力，基于darcy-forchheimer方程確定水動力模擬方法。

9、優(yōu)選地，所述步驟sa1中獲取實驗瞬時流量的具體過程如下：

10、使用浪高儀采集氣室內(nèi)波高，結(jié)合液面運動速度和氣室寬度計算氣體的體積變化速率，獲取實驗瞬時流量；

11、①設置實驗裝置

12、在owc裝置氣室內(nèi)布置高精度浪高儀、流速傳感器及氣室寬度測量裝置，確保傳感器安裝位置準確捕捉氣室液面的瞬時變化；

13、②采集數(shù)據(jù)

14、假設流體大體呈正弦波形式運動，利用浪高儀記錄氣室內(nèi)波高數(shù)據(jù)，采用對波高數(shù)據(jù)隨時間變化的導數(shù)計算得到液面運動速度，其計算公式為：

15、

16、式中表示波高的變化量，波高變化量數(shù)據(jù)的差分計算公式為，表示時間間隔，時間間隔數(shù)據(jù)的差分計算公式為；

17、在每個時間間隔內(nèi)，根據(jù)液面運動速度和氣室寬度，計算實驗瞬時流量，實驗瞬時流量的計算公式為：

18、

19、式中表示實驗瞬時流量， v表示液面運動速度，即液面運動的瞬時速度， b表示氣室寬度；

20、為確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與重復性，多點、多工況進行重復實驗；

21、③預處理數(shù)據(jù)

22、對采集的實驗瞬時流量進行濾波、去噪處理，并利用統(tǒng)計方法對多個實驗結(jié)果進行平均，得到代表性實驗瞬時流量曲線。

23、優(yōu)選地，所述步驟sa1中獲取模擬瞬時流量的具體過程如下：

24、①構(gòu)建與仿真初級幾何模型

25、利用cfd軟件建立owc裝置的初級幾何模型，包括氣室、開口、底部結(jié)構(gòu)來反映實際裝置的物理特性，設置合理的網(wǎng)格劃分和邊界條件，模擬規(guī)則波浪激勵條件下的氣室內(nèi)流體運動，以此觀察氣流速度、壓力變化及漩渦形成的復雜現(xiàn)象；

26、②計算模擬瞬時流量

27、在cfd軟件建立owc裝置的初級幾何模型仿真中，通過在氣室關鍵監(jiān)測點布置probe探針實時采集流體速度場和壓力場數(shù)據(jù)，將氣孔處氣流的瞬時速度與氣室開孔的初級幾何模型參數(shù)結(jié)合，計算模擬瞬時流量；

28、③校準初步參數(shù)

29、根據(jù)模擬結(jié)果調(diào)整幾何模型參數(shù)，并進行相應的校準和驗證，確保數(shù)值模擬的收斂性和與實際流場特征的匹配。

30、優(yōu)選地，步驟sa2中雙重驗證與數(shù)據(jù)融合的具體過程如下：

31、①對比分析數(shù)據(jù)

32、將實驗瞬時流量和模擬瞬時流量進行對比，利用統(tǒng)計方法，如相關系數(shù)、均方根誤差，展示對比結(jié)果，評估兩組數(shù)據(jù)的一致性；

33、②分析數(shù)據(jù)的殘差與敏感性

34、分析實驗瞬時流量和模擬瞬時流量兩種方法結(jié)果間的差異，查找可能存在的偏差原因，針對性調(diào)整實驗或數(shù)值模擬的參數(shù)；

35、③融合與優(yōu)化數(shù)據(jù)

36、將實驗瞬時流量和模擬瞬時流量互為驗證，彌補單一方法可能存在的不足；根據(jù)對比結(jié)果，采用加權(quán)平均或其他數(shù)據(jù)融合技術(shù)優(yōu)化精度，得到優(yōu)化后的瞬時流量數(shù)據(jù)，為后續(xù)線性阻力系數(shù)和非線性阻力系數(shù)的求解提供更為準確的基礎。

37、優(yōu)選地，所述步驟sa2中基于darcy-forchheimer方程確定水動力模擬方法的具體過程如下：

38、①數(shù)據(jù)準備

39、借助瞬時流量數(shù)據(jù)及對應的局部壓力降數(shù)據(jù)，對其進行預處理，包括濾波、平滑。

40、②建立數(shù)值模型

41、基于darcy-forchheimer方程描述多孔介質(zhì)中流體流動的阻力特性，綜合線性和非線性流動效應，建立數(shù)值模型；通過編寫自定義程序計算多孔介質(zhì)中的darcy-forchheimer系數(shù)，借助瞬時流量數(shù)據(jù)和相關參數(shù)計算局部壓力降，其計算公式為：

42、

43、

44、

45、式中為局部壓力降，q為瞬時流量數(shù)據(jù)，為橫截面積，為流體動力粘度，為流體密度，為由流體粘性引起的線性阻力，適用于低速流動，為線性阻力系數(shù)；為由慣性效應引起的非線性阻力，適用于高速流動，為非線性阻力系數(shù)；

46、對于僅含線性項多孔介質(zhì)的數(shù)值模型，令基于線性假設的阻力系數(shù) f?=?0，簡化方程為：

47、

48、進一步推導得到線性阻力系數(shù)d的表達式：

49、

50、而對于考慮非線性項多孔介質(zhì)的數(shù)值模型，引入二次非線性項，假設基于非線性假設的阻力系數(shù) d?=?0，簡化方程為：

51、

52、進一步推導得到非線性阻力系數(shù)f的表達式：

53、

54、通過比較僅含線性項系數(shù) d的多孔介質(zhì)數(shù)值模型和當前考慮非線性項系數(shù) f多孔介質(zhì)的數(shù)值模型描述的阻力特性情況，進而確認基于darcy-forchheimer方程的水動力模擬方法。

55、優(yōu)選地，所述步驟s2中計算開孔板的阻力系數(shù)的具體過程如下：

56、步驟sb1，確定開孔板孔隙率和幾何特性

57、根據(jù)開孔板的設計參數(shù)，測量或計算孔隙率及孔口的幾何特性，包括孔徑、孔口分布，其決定流體通過開孔板時的阻力特性，進而影響多孔介質(zhì)的數(shù)值模型的有效性；

58、步驟sb2，利用molin的多孔結(jié)構(gòu)物經(jīng)驗公式計算阻力系數(shù)

59、根據(jù)孔隙率和幾何特性，采用molin提出的多孔海洋結(jié)構(gòu)物的經(jīng)驗公式計算開孔板的阻力系數(shù)；該系數(shù)用于描述開孔板對水流的阻力，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供必要且準確的參數(shù)，以提高模擬結(jié)果的可靠性和準確性；

60、

61、

62、其中，為局部壓力降，是開孔結(jié)構(gòu)物在i方向上的開孔率，是經(jīng)驗系數(shù)。

63、優(yōu)選地，所述步驟s3的具體過程如下：

64、步驟sc1，重建幾何模型與網(wǎng)格劃分

65、根據(jù)實際工程需求利用cfd軟件建立owc裝置的重建幾何模型，為降低數(shù)值模擬中的計算負擔，對小氣孔尺寸進行放大處理，采用10倍放大策略，，式中為原始氣孔尺寸，為放大后的氣孔尺寸；利用水動力分析軟件內(nèi)置的網(wǎng)格劃分工具，對重建后的重建幾何模型進行初步網(wǎng)格劃分；為捕捉關鍵流動細節(jié)，對多孔介質(zhì)區(qū)域采用局部細網(wǎng)格劃分，為降低計算量，其他區(qū)域則采用粗網(wǎng)格劃分；

66、步驟sc2，波浪生成模塊與構(gòu)建數(shù)值波浪水槽

67、使用水動力分析軟件中的波浪生成模塊，構(gòu)建數(shù)值波浪水槽，模擬不同波浪條件下owc裝置重建幾何模型的響應；根據(jù)設定的波高、波周期和水深參數(shù)，確保數(shù)值水槽逼真地再現(xiàn)實際海洋波浪作用，并提供可靠的波浪外部激勵；

68、步驟sc3，設置多孔介質(zhì)區(qū)域與插入源項

69、通過前期對包含小孔口和開孔板的區(qū)域的網(wǎng)格劃分，明確確定多孔介質(zhì)區(qū)域的幾何范圍；隨后，新建名為porouszone的區(qū)域，并將其設定為explicitporositysource類型，以便在數(shù)值模擬過程中作為外部源項直接插入到水動力控制方程中，用于再現(xiàn)流體流經(jīng)該區(qū)域時的阻力效應；對于物理屬性的設定，采用darcyforchheimer模型，其中darcy線性阻力系數(shù)統(tǒng)一設置為(0,0,0)，而forchheimer非線性阻力系數(shù)則依據(jù)流體主要流動方向在x、y、z三個方向分別賦予相應的數(shù)值，只有氣流主要方向分量被賦予非零值，其余方向保持為零；

70、步驟sc4，數(shù)值模擬、獲取數(shù)據(jù)以及驗證

71、運行數(shù)值模擬，在離散的網(wǎng)格上對水動力控制方程進行迭代求解；設置多個監(jiān)測點，實時監(jiān)測多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的氣壓、流速，獲取owc裝置在不同波浪條件下的響應數(shù)據(jù)，對比模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)，通過相關系數(shù)、均方根誤差統(tǒng)計指標驗證數(shù)值模型的準確性。

72、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，提出了一種能量吸收/耗散式海洋結(jié)構(gòu)物高效水動力模擬方法，該方法的有益效果是：

73、1.顯著提升數(shù)值模擬效率

74、本發(fā)明提出的吸/耗能海洋結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)水動力模擬方法，能夠顯著提升數(shù)值模擬的計算效率；通過采用多孔介質(zhì)模型替代傳統(tǒng)的小氣孔阻尼方式，不僅削減了所需網(wǎng)格數(shù)量和時間步長，還通過優(yōu)化計算流程大幅提升模擬速度；這使得吸/耗能海洋結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)的數(shù)值模擬更加高效，能夠高效滿足實際工程設計和優(yōu)化的需求。

75、2.精確估算非線性阻尼系數(shù)，確保高精度模擬結(jié)果

76、通過引入darcy-forchheimer方程，本發(fā)明精確估算了多孔介質(zhì)中的阻尼系數(shù)，能夠準確刻畫吸/耗能海洋結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)氣孔和開孔板處的非線性氣壓分布特征；該方法有效解決了小氣孔近似模擬時因流體動力學復雜性導致的精度問題，確保在大幅提升模擬速度的同時，模擬結(jié)果依然保持高精度與可靠性，滿足嚴苛的工程要求。

77、3.廣泛適用性與簡化的模擬流程

78、本發(fā)明的數(shù)值模擬方法不僅適用于傳統(tǒng)的owc吸/耗能海洋結(jié)構(gòu)物系統(tǒng)，還能有效模擬帶有開孔板的owc結(jié)構(gòu)，具有廣泛的適用性；通過簡化數(shù)值模擬的流程和參數(shù)設置，降低了建模復雜性，提高了方法的可操作性，使得工程師能夠更便捷地進行各種形式的owc裝置的設計與優(yōu)化。