XI Engineering技术总监的客座博客Brett Marmo讨论了使用声学模拟来分析潮汐涡轮机对港口密封的影响。
如果要避免过度的全球供暖和气候危机上升，为产生温室气的能源创造清洁能源替代品至关重要。可行的可再生能源是海洋潮汐，与太阳能和风资源不同，它不依赖天气，因此可以预测。可以通过将潮汐涡轮机部署到潮汐流中来利用潮汐能。这个过程是Meygen项目的基础，Meygen项目是一个庞大的可再生能源项目，计划是世界上最大的潮汐能源。最近，在这个项目地点部署了一系列潮汐涡轮机，在大西洋和北海之间流动的潮汐被漏水到苏格兰大陆和斯特罗马岛之间的高能溪流中。
潮汐涡轮设计的Goldilocks方法
尽管遏制温室气体排放对于地球的福祉很重要，但必须以没有其他有害环境影响的方式完成。在潮汐涡轮机的情况下，环境影响可能包括对海洋物种受伤的风险，例如与涡轮机的运动部位碰撞或高水平的操作噪声。涡轮机产生了“金色”噪声水平的“金色”噪声水平。希望水平足以警告海洋物种的存在，以使它们避免碰撞，同时又不大声造成伤害。
图1.港口密封，这是受潮汐涡轮设计影响的海洋物种之一。在下面许可的图像CC BY-SA 4.0， 通过Wikimedia Commons。
xi以前已经使用了comsol多物理学®软件以估算潮汐涡轮机部署到海洋并使海洋生物的存在之前估算可能的噪声水平。苏格兰海洋科学协会（SAMS）收集的Meygen项目的最新水下噪声测量提供了验证这些模型的机会。然后使用模型来生成空间和时间三维的噪声图，这些图已通过SAM与港口密封和翅膀的运动和行为的数据进行了比较，以更好地理解海洋哺乳动物如何与这些清洁能源相互作用 -生产设备。港口印章是这项研究的主要重点，因为在过去的几十年中，居住在Meygen项目地点附近地区的人口大大下降。因此，Meygen项目特别注意不要对它们产生不利影响。
潮汐涡轮机听起来像什么？
潮汐涡轮机具有与水平轴风力涡轮机相似的布局，转子由三个通过轮毂连接和驱动轴连接的叶片组成（图2）。转子的旋转速度使用加速变速箱用发电机转换电能。然后，能量由水下电缆出口到陆上网格。
图2.潮汐涡轮机等候在Meygen项目中进行部署。
潮汐涡轮机的机械噪声是其变速箱和发电机振动的结果。通常，音调噪声是通过变速箱中的牙齿夹带产生的。通常，变速箱具有三个升级阶段 - 低速阶段，中级阶段和高速阶段 - 产生的音调振动分别在10-30 Hz，80-150 Hz和200-1000 Hz之间。第二个振动来源是由发电机中的齿轮力产生的，这是由磁体和线圈之间相互通过时的相互作用引起的，这些振动约为500 Hz至2 kHz。动力传动系统中的振动穿过涡轮结构，到达叶片，纳塞尔壁和支撑结构，在那里它们与周围的水相互作用并作为音调噪声辐射（图3）。
图3.从Andritz Hydro Hammerfest潮汐涡轮机测量200 m的水下声压频谱密度。
comsol多物理学如何®用过的？
建模来自一系列潮汐涡轮机的累积噪声对产生噪声的尺寸差（数十米）和噪声影响海洋物种（公里）的水量的尺寸差异引起了模拟挑战。可以使用有限元网络解决单个涡轮机周围的噪声场。但是，将覆盖影响动物的水量的网格太大而无法易于处理，因此必须使用几何声学方法。
潮汐涡轮机的声输出通过COMSOL多物理学建模，通过耦合压力声学，频域和结构力学接口。涡轮机由固体和壳元素表示，并且基于XI测量的风力涡轮机中的等效变速箱和发电机的测量，传动系统被激发。结构结构域与声学域完全耦合以表示周围的水（图4）。将水建模为具有完美匹配层的半球，以允许声能离开模型空间外场计算特征。团队在频域中解决了模型。
图4.由单个涡轮在250 Hz处产生的声场，以耦合结构声模型建模。一个外场计算特征在半球的外端使用。该模型包含一个完美的匹配层，此处未显示。
该模型包括第二个组成部分，苏格兰大陆和基质岛之间的海洋是使用该岛建模的射线声学接口（图5）。几何形状基于海底的测深，并为海床提供了适当的声学阻抗条件，而海面则被认为是完美的反射器。该模型使用噪声源填充从外场计算释放，因此，可以直接将单个涡轮机周围噪声场的结果直接进口到正确的空间位置。指某东西的用途外场计算意味着涡轮机周围的噪声场的方向性包含在射线声学模型中。
图5.从250 Hz处的四个涡轮机的操作噪声的射线声模型。为海面以下10 m的水平截面显示了声压水平。
声场及其对密封的影响
SAMS在2020年部署了漂流的水力机，以测量Meygen项目的潮汐涡轮机在一系列距离上产生的操作噪声，距离潮汐涡轮机高达1400 m。这些数据用于验证模型（图6）。
图6.比较测量结果，并建模了以最大功率输出运行的潮汐涡轮机中的三分之一八度的水下噪声。显示了距操作涡轮机100 m和1000 m的测量点。误差线显示每个级别的三分之一八度带的水下噪声的一个标准偏差。
然后，使用多物理模型来确定20 Hz和2 kHz之间每个三弦谱带的空间声压水平。为了确定对海洋哺乳动物的影响，对于单个物种的听力阈值，声音水平与频率的函数受到了加权；这相当于人类听力的A加权曲线。对港口密封的建模结果进行了M加权，并在MATLAB中进行了整理®为了创建噪声图，这证明了操作噪声水平低于可能造成港口密封危害的噪声水平。此外，噪声图还表明，即使涡轮机的操作噪声扩大了数百米，它也高于环境背景噪声。因此，密封能够检测到涡轮机的存在并避免与它们接触。这些涡轮机的操作噪声位于港口密封的声音级别Goldilocks区域内。
图7.从操作潮汐阵列加权的累积声压水平，用于听力港口密封。这些水平低于对密封有害的水平。
寻找未来
目前，用COMSOL多物理制作的声音图与密封跟踪数据集成在一起，以确定声学输出如何影响动物。在如此高能电流达到3 m/s的高能环境中，收集水下声学数据极为困难。单独使用测量不可能进行与跟踪数据进行比较所需的声场的空间保真度；这里讨论的建模提供了所需的忠诚度，并为海洋科学家提供了一种有价值的工具，可以理解潮汐涡轮机如何影响自然世界。
Meygen项目有计划部署更多的潮汐涡轮机，并增加其可以提供的清洁能量。使用建模和模拟将允许对日益大型阵列产生的累积噪声进行快速评估，并将帮助海洋科学家确定涡轮机的位置，并考虑到海洋物种的影响。XI提供的comsol多物理模拟与SAM收集的声学和跟踪数据集成在一起，正在帮助部署对人类有益的清洁海洋能源系统，并对生活在海洋环境中的动物安全。
关于作者
Brett Marmo博士是XI工程顾问的技术总监。从他在南极冰川上的工作开始，他在建模动力学方面拥有超过25年的经验，为此，他从墨尔本大学获得了博士学位。他是Comsol Multiphysics的长期用户，并在爱丁堡大学的博士后工作开始使用该软件。自2006年以来，他就一直受雇于XI Engineering，在那里他组建了一个由认证的COMSOL顾问身份认可的建模团队。在XI，他对广泛的应用进行了建模，从优化静电扬声器的声学性能到分析暴露于地震时仓库级交付系统的稳定性。
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