特邀博主 Brett Marmo 是 Xi Engineering 的技术总监，他讨论了使用声学仿真分析潮汐涡轮机对海豹的影响。
如果要避免全球过度升温和日益严重的气候危机，生产清洁能源来替代产生温室气体的能源至关重要。海洋潮汐是一种可以利用的可再生能源，与太阳能和风能能源不同，它不依赖于天气，因此是可预测的。可以通过在潮汐流中部署潮汐涡轮机来利用潮汐能。这个过程是 MeyGen 项目——一个大规模的可再生能源项目的基础，该项目计划建立世界上最大的潮汐能源工厂。最近，一组潮汐涡轮机被部署在该项目现场，在这里大西洋和北海之间流动的潮汐被输送到苏格兰大陆和斯特罗马岛之间汇聚成一个高能流。
适宜的潮汐涡轮机设计方法
虽然遏制温室气体排放对地球的福祉很重要，但必须以不对环境产生其他危害的方式进行。就潮汐涡轮机而言，环境影响可能包括伤害海洋物种的风险，例如与涡轮机的移动部件相撞或高水平的运行噪音。涡轮机产生的运行噪音有一个“适度的”水平；最好足够响亮，以警告海洋物种涡轮机的存在，使它们能够避免碰撞，同时又不会太响亮而导致它们受伤。
图1. 港湾海豹，一种受潮汐涡轮机设计影响的海洋物种。图片通过Wikimedia Commons获得许可(CC BY-SA 4.0)。
Xi Engineering 曾经使用 COMSOL Multiphysics® 软件估计潮汐涡轮机在部署到海洋中之前可能产生的噪声水平，以及使海洋生物受到其存在的影响。苏格兰海洋科学协会（SAMS）MeyGen 项目最近收集的水下噪声测量数据，为验证这些模型提供了机会。这些模型被用来生成空间和时间的三维噪声图，SAMSm 已经将其与港湾海豹和鼠海豚的运动和行为数据进行了比较，以更好地了解海洋哺乳动物如何与这些清洁能源生产设备相互作用。港湾海豹是这项研究的重点，因为居住在 MeyGen 项目现场附近的海豹数量在过去几十年里明显减少；因此，MeyGen 项目要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？
潮汐涡轮机的布局与水平轴风力涡轮机相似，转子由三个叶片组成，通过轮毂和驱动轴连接(图2)。转子的转速采用升压齿轮箱与发电机进行电能转换。然后通过水下电缆将能量输出到陆地上的电网。
图2. MeyGen 项目中等待部署的潮汐涡轮机。
潮汐涡轮机的机械噪声是其齿轮箱和发电机振动的结果。通常，最高水平的音调噪声是由齿轮箱中的齿啮合产生的。齿轮箱具有三个声压级：低速级、中间级和高速级，它们分别产生 10~30 Hz、80~150 Hz 和 200~1000 Hz 的音调振动。第二个振动源是由发电机中的齿槽力产生的，它是由磁铁和线圈相互传递时的相互作用引起的，约为500 Hz ~2 kHz。传动系统中的振动通过涡轮结构传到叶片、机舱壁和支撑结构，与周围的水相互作用并以音调噪声的形式辐射出去(图3)。
图3.从 Andritz Hydro Hammerfest 潮汐涡轮机 200 m 处测得的水下声压谱密度。
COMSOL Multiphysics®是如何发挥作用的？
由于产生噪声的涡轮机的尺寸差异（数十米）以及噪声所影响海洋物种的水域范围（数千米），对模拟潮汐涡轮机阵列产生的累积噪声提出了建模挑战。使用有限元网格可以解决单个涡轮机周围的噪声场。然而，一个能覆盖影响动物的水体的有限元网格往往大得难以想象，所以必须使用几何声学方法。
在 COMSOL Multiphysics 中，潮汐涡轮机的声输出通过耦合压力声学、频域 接口和结构力学 接口来模拟。涡轮机用实体和壳单元表示，使用基于 Xi Engineering 对风力涡轮机中等效齿轮箱和发电机的测量结果的车身载荷对动力传动系统进行激励。周围的水域通过结构域与声学域完全耦合表示（图 4）。水被模拟为具有完美匹配层的半球，允许声能离开模型空间，远场辐射图使用外场计算 特征计算。在频域中求解模型。
图4.单个涡轮机产生的 250 Hz 声场，采用耦合结构声学模型建模。外场计算特征用于半球的外端。该模型包括此处未显示的完美匹配层。
该模型包括第二个组件，其中使用射线声学 接口对苏格兰大陆和斯特罗马岛之间的海洋进行建模(图5)。模型几何结构基于海底的测深，海床被施加了适当的声阻抗条件，而海面被假定为完美的反射体。使用根据外场计算释放 填充噪声源，从而可以将来自单个涡轮机周围的噪声场的结果直接导入到模型中正确的空间位置。使用外场计算 意味着涡轮周围噪声场的方向性被包含在射线声学模型中。
图5.四台涡轮机在 250 Hz 运行噪声的射线声学模型。显示了海面以下 10 m 水平部分的声压级。
声场及其对海豹的影响
SAMS 在 2020 年部署了一些漂流式水听器，在距离潮汐涡轮机最远 1400 m 的距离范围内测量 MeyGen 项目的其中一台潮汐涡轮机产生的运行噪声。这些数据用于验证模型（图6）。
图6. 在最大功率输出下运行的潮汐涡轮机的测量结果和模拟的三分之一倍频程水下噪声的比较。图中显示了距运行涡轮机 100 m 和 1000 m 的测量点。误差线显示每个级别的三分之一倍频程的测量水下噪声的一个标准偏差。
然后，他们使用多物理场仿真来确定 20 Hz ~2 kHz 内每个三个倍频程的空间声压级。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，对作为频率函数的声压级进行 m 加权；这相当于人类听觉的 A 加权曲线。对海豹的建模结果进行 m 加权，并在 MATLAB® 中进行整理以创建噪声地图，这证明了运行噪声水平低于可能导致海豹伤害的水平。此外，噪声图显示，即使涡轮机的运行噪声扩大数百米，也高于环境背景噪声。因此，海豹能够察觉到涡轮机的存在并避免与它们接触。这些涡轮机的运行噪声在海豹的声级适宜区范围内。
图7.来自运行中的潮汐阵列的累积声压级，根据港湾海豹的听力进行加权。这些声压级水平低于对海豹有害的水平。
展望未来
使用 COMSOL Multiphysics 生成的声音地图目前正在与海豹跟踪数据集成，用于确定声音输出对动物的影响。在潮流达到 3 m/s 的高能环境中，收集水声数据极其困难。仅依靠测量不可能实现与跟踪数据进行比较所需的声场空间保真度；而文中讨论的模型提供了所需的保真度，并为海洋科学家提供了一个有效的方法，可以帮助他们了解潮汐涡轮机如何影响自然世界。
MeyGen 项目计划部署更多的潮汐涡轮机，并增加其可提供的清洁能源量。建模和仿真允许快速计算由越来越大的阵列产生的累积噪声，并将帮助海洋科学家在考虑海洋物种影响的情况下确定涡轮机的位置。Xi Engineering 提供的 COMSOL Multiphysics 仿真与 SAMS 收集的声学和跟踪数据相结合，可以帮助部署清洁的海洋能源系统，这些系统对人类有益，对生活在海洋环境中的动物也很安全。
关于作者
Brett Marmo 博士是 Xi Engineering 咨询公司的技术总监。从南极冰川的工作开始，他在动力学建模方面拥有超过 25 年的经验，为此他获得了墨尔本大学的博士学位。他是 COMSOL Multiphysics 的长期用户，在爱丁堡大学从事博士后工作期间开始使用该软件。自 2006 年以来，他一直服务于 Xi Engineering，组建了一个建模团队，并获得了 COMSOL 认证顾问的资格。在 Xi Engineering，他建立了广泛的应用模型，涉及优化静电扬声器的声学性能以及分析仓库规模交付系统在地震中的稳定性等。
MATLAB 是 The MathWorks, Inc. 的注册商标。
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