【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用

CAE璐姐

2021年3月22日 09:48

【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用的圖1

TELEMAC-MASCARET是法國電力集團（EDF）的法國國立水利與環境實驗室開發的一款研究水動力學和水文學領域的高性能數值仿真開源軟件。基于有限元法，使用不規則三角網格，讓復雜的海岸線和河口的描繪更為精確。該軟件可以構建1D，2D和3D水動力學模型以解決波浪傳播, 波浪振動特性，水質污染，泥沙輸運和海床形態變化等問題，擁有豐富的用戶技術支持和廣泛的工業應用及驗證。

研究背景

北海是北大西洋的一部分，位于大不列顛島以東，斯堪的納維亞半島西南和歐洲大陸以北，北海海底有豐富的石油儲藏。除靠近斯堪的納維亞半島西南端有一平行于岸線的寬約28～37公里，水深200～800 米的海槽外，大部分海區水深不超過100米，南部淺于40米。英格蘭北面外海有很多冰磧物構成的沙洲、淺灘，其中面積達650平方公里的多格淺灘水深僅15～30米，是世界著名的淺海之一。

【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用的圖2

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在過去20年里，北海海上風電設施大規模擴建，其發展呈指數型增長。在開發海洋可再生能源的同時，我們還需要建立波浪預測工具來維持海上維修隊的安全、規劃海上設施維修以及提高能源生產效率。

波浪預警工具的主要是在一個離散的風電場作業區域內提供近乎實時的波浪預測信息。本文將采用TELEMAC/TOMAWAC耦合有限元模型來研究潮汐作用對波浪的影響，利用0.5×0.6 bespoke工作波模型預測北海南部Greater Gabbard海上風電場附近的波浪情況，并提出一個波浪預警模型。

模型建立

在TELEMAC2D和TOMAWAC的耦合模擬中，我們采用相同的水平方向的二維網格，如圖1所示：

【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用的圖3

模型內部邊界靠近風力發電廠站點邊界（黑點處），包括Wavenet Waverider浮標所在的位置（紅色三角形），外部為開放邊界。

我們將根據英國海洋數據中心（British Oceanographic Data Centre, BODC）提供的數據對模型進行校準和驗證。

一、潮汐模型

我們采用TELEMAC2D生成Gabbard模型來模擬探測點區域的潮汐作用，并在開放邊界處添加潮汐作用力（采用11種作用力模型：M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4和MN4)。

我們從英國海洋數據中心（BODC）的開放數據庫中提取了時間長度為22天的潮汐數據，用于驗證Gabbard模型得出的時間序列。

對比潮汐流動的速度大小和方向可以得出，模擬值的周期與觀測值完全一致。TELEMAC2D模擬得出的速度的平均值與BODC的數據有16%的相對偏差，且速度在春季時偏低。

【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用的圖4

二、波浪模型

我們使用TOMAWAC對波浪模型進行模擬，之后將其與TELEMAC2D進行外部耦合。

TOMAWAC是一種基于譜空間能量密度譜相位平均值建立的模型，它能夠提高發電機位置附近的局部分辨率，同時在發電機位置邊界處提高節點密度。相比于傳統的全局模型，我們的模型在風力發電場附近的復雜水域處擁有更高的分辨率。

將所得結果與英國氣象局(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數據進行對比，除前三天以外，二者吻合性較好，具體結果如下圖所示：

【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用的圖5

外部作用力敏感性測試

在得到TELEMAC2D-TOMAWAC耦合模型之后，我們希望該模型在施加不同的外界作用力的情況下都適用，因此我們在以下三種情況下對耦合模型的邊界作用力敏感性進行測試：

僅受來自WW3全局模型的南向波浪作用力；
僅受來自WW3全局模型的北向波浪作用力；
根據風的方向選擇波浪作用力，如果風向向北就添加來自南部的波浪作用力，如果風向向南就添加來自北部的波浪作用力。

將三種情況下得出的波浪高度的絕對誤差、方差、標準差以及偏度進行比較，發現當波浪的選擇是風向的函數時（第三種情況）方差最小，結果最好。并與兩種英國氣象局提出的WW3全局模型進行比較，具體結果如下表所示：

【EDF開源CAE】TELEMAC-MASCARET在北海風電場作業波預警中的應用的圖6

結論

與目前常用的英國氣象局提出的WW3全局模型相比，我們所開發的Gabbard模型對本地波浪高度的預測準確度有了顯著的提高。在模型中我們考慮了潮汐的影響，在復雜水域中波浪的重現性較好。我們的預測模型既提高了風電場附近的網格精度，又提高了預測的準確度，預測波浪高度的方差小于0.18m。此外，該模型可以應用于波浪預警，且不需要大量計算的計算資源。