【EDF开源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海风电场作业波预警中的应用

CAE璐姐 2021年3月22日浏览：1343

【EDF开源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海风电场作业波预警中的应用的图1

TELEMAC-MASCARET是法国电力集团（EDF）的法国国立水利与环境实验室开发的一款研究水动力学和水文学领域的高性能数值仿真开源软件。基于有限元法，使用不规则三角网格，让复杂的海岸线和河口的描绘更为精确。该软件可以构建1D，2D和3D水动力学模型以解决波浪传播, 波浪振动特性，水质污染，泥沙输运和海床形态变化等问题，拥有丰富的用户技术支持和广泛的工业应用及验证。

研究背景

北海是北大西洋的一部分，位于大不列颠岛以东，斯堪的纳维亚半岛西南和欧洲大陆以北，北海海底有丰富的石油储藏。除靠近斯堪的纳维亚半岛西南端有一平行于岸线的宽约28～37公里，水深200～800 米的海槽外，大部分海区水深不超过100米，南部浅于40米。英格兰北面外海有很多冰碛物构成的沙洲、浅滩，其中面积达650平方公里的多格浅滩水深仅15～30米，是世界著名的浅海之一。

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图 | 百度百科

在过去20年里，北海海上风电设施大规模扩建，其发展呈指数型增长。在开发海洋可再生能源的同时，我们还需要建立波浪预测工具来维持海上维修队的安全、规划海上设施维修以及提高能源生产效率。

波浪预警工具的主要是在一个离散的风电场作业区域内提供近乎实时的波浪预测信息。本文将采用TELEMAC/TOMAWAC耦合有限元模型来研究潮汐作用对波浪的影响，利用0.5×0.6 bespoke工作波模型预测北海南部Greater Gabbard海上风电场附近的波浪情况，并提出一个波浪预警模型。

模型建立

在TELEMAC2D和TOMAWAC的耦合模拟中，我们采用相同的水平方向的二维网格，如图1所示：

【EDF开源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海风电场作业波预警中的应用的图3

模型内部边界靠近风力发电厂站点边界（黑点处），包括Wavenet Waverider浮标所在的位置（红色三角形），外部为开放边界。

我们将根据英国海洋数据中心（British Oceanographic Data Centre, BODC）提供的数据对模型进行校准和验证。

一、潮汐模型

我们采用TELEMAC2D生成Gabbard模型来模拟探测点区域的潮汐作用，并在开放边界处添加潮汐作用力（采用11种作用力模型：M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4和MN4)。

我们从英国海洋数据中心（BODC）的开放数据库中提取了时间长度为22天的潮汐数据，用于验证Gabbard模型得出的时间序列。

对比潮汐流动的速度大小和方向可以得出，模拟值的周期与观测值完全一致。TELEMAC2D模拟得出的速度的平均值与BODC的数据有16%的相对偏差，且速度在春季时偏低。

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二、波浪模型

我们使用TOMAWAC对波浪模型进行模拟，之后将其与TELEMAC2D进行外部耦合。

TOMAWAC是一种基于谱空间能量密度谱相位平均值建立的模型，它能够提高发电机位置附近的局部分辨率，同时在发电机位置边界处提高节点密度。相比于传统的全局模型，我们的模型在风力发电场附近的复杂水域处拥有更高的分辨率。

将所得结果与英国气象局(UK Meteorological Office)所使用的 Wavewatch III(WW3)全局模型得出的波浪高度以及波尖周期数据进行对比，除前三天以外，二者吻合性较好，具体结果如下图所示：

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外部作用力敏感性测试

在得到TELEMAC2D-TOMAWAC耦合模型之后，我们希望该模型在施加不同的外界作用力的情况下都适用，因此我们在以下三种情况下对耦合模型的边界作用力敏感性进行测试：

仅受来自WW3全局模型的南向波浪作用力；
仅受来自WW3全局模型的北向波浪作用力；
根据风的方向选择波浪作用力，如果风向向北就添加来自南部的波浪作用力，如果风向向南就添加来自北部的波浪作用力。

将三种情况下得出的波浪高度的绝对误差、方差、标准差以及偏度进行比较，发现当波浪的选择是风向的函数时（第三种情况）方差最小，结果最好。并与两种英国气象局提出的WW3全局模型进行比较，具体结果如下表所示：

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结论

与目前常用的英国气象局提出的WW3全局模型相比，我们所开发的Gabbard模型对本地波浪高度的预测准确度有了显著的提高。在模型中我们考虑了潮汐的影响，在复杂水域中波浪的重现性较好。我们的预测模型既提高了风电场附近的网格精度，又提高了预测的准确度，预测波浪高度的方差小于0.18m。此外，该模型可以应用于波浪预警，且不需要大量计算的计算资源。