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基于波浪能供电的浮标水动力学研究

2020-12-02阅读(853)

基于波浪能供电的浮标水动力学研究

论文摘要

海洋资料浮标是监测水质水文参数、探索海洋资源的有效方式之一,越来越受到各国重视。浮标在海上经常遭受风、浪、流等恶劣环境,如何提高浮标在波浪中的稳定性成为各国面临的一个挑战;同时海洋浮标是一个离岸漂泊设备,其持久供电问题限制浮标的发展。本文主要设计了一款适用于近海的小型海洋资料浮标系统。根据海洋波浪能的特点设计了针对海洋浮标的波能发电装置;根据常用监测需求,设计了浮标的监测系统,主要包括:数据采集子系统、通信传输子系统、电源子系统和控制子系统;设计浮标结构并对其进行校核和水动力学分析。主要工作如下:(1)设计振荡水柱式波浪能发电装置,实现了浮标的波能供电。浮标与波能供电结合处的中心管管径对波能发电效率影响较大,通过计算流体力学软件对波能发电装置中心管半径的不同取值进行仿真分析,结果表明适当加大中心管管径可以有效提升波能转化效率。(2)设计浮标的电能供应监测子系统,实现浮标波浪能和太阳能的互补供电。对海况总体分析,明确浮标系统的临界工作环境和临界生存环境;总体设计浮标系统并对各个子系统进行选型;根据各个系统的功耗分析,选择电池容量;设计电源控制系统使波浪能和太阳能之间实现智能互补供电。(3)设计浮标体(主浮体、塔架和垂荡板)的结构,对浮标的几何和运动参数进行校核分析。结果表明:浮标的重心和浮心满足稳定性要求;初稳性计算结果符合《海船稳性规范》中的标准;垂荡和横摇固有频率都超过波浪主能频率,避免发生共振现象。同时对垂荡板不同半径尺寸进行仿真分析,结果显示:增加垂荡板可以显著提升浮标附加质量和随波性。(4)通过流体仿真,分析了浮标系统水动力学性能。对波能供电浮标建模并设置参数,分别对浮标系统垂荡和横摇两个方向的一阶和二阶波浪力、附加质量系数和阻尼系数及运动响应因子RAO进行水动力学分析。结果表明:a)浮标受到的一阶、二阶波浪力幅值较小,在垂荡板承受范围内;b)横摇和垂荡方向的附加质量系数与阻尼系数曲线在合理范围内;c)浮标在JONSWAP海浪谱下RAO响应较小。本文设计的海洋资料浮标结合了波能供电和垂荡板结构,基于整个浮标系统的水动力学分析,验证了波能供电浮标整体结构的合理性。为工程实践提供了良好借鉴。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 课题背景及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 海洋资料浮标研究现状
  •     1.2.2 波浪能发电研究现状
  •     1.2.3 浮标水动力研究现状
  •   1.3 研究内容及技术路线
  •     1.3.1 研究内容
  •     1.3.2 技术路线
  •   1.4 论文章节安排
  • 第二章 浮标波能供电方案
  •   2.1 引言
  •   2.2 波浪规律及典型波能发电形式
  •     2.2.1 波浪能的规律、特点
  •     2.2.2 波浪能发电原理及分类
  •     2.2.3 典型波能发电装置
  •   2.3 波浪能发电装置设计
  •     2.3.1 分析波浪能活动的特点
  •     2.3.2 分析波浪能装置的工作特征
  •   2.4 本章小结
  • 第二章 浮标监测系统设计
  •   3.1 引言
  •   3.2 浮标工作环境分析
  •     3.2.1 浮标临界工作环境
  •     3.2.2 浮标临界生存环境
  •   3.3 浮标监测系统搭建
  •     3.3.1 数据采集子系统设计
  •     3.3.2 通讯传输子系统设计
  •     3.3.3 电源子系统设计
  •     3.3.4 控制子系统设计
  •   3.4 本章小结
  • 第四章 浮标整体结构设计
  •   4.1 引言
  •   4.2 浮标主浮体设计
  •     4.2.1 主浮体类型选择
  •     4.2.2 主浮体结构设计
  •   4.3 浮标塔架设计
  •   4.4 浮标垂荡板设计
  •     4.4.1 垂荡板设计依据
  •     4.4.2 垂荡板形状对浮标运动性能的影响分析
  •   4.5 浮标校核计算
  •     4.5.1 重心和浮心校核
  •     4.5.2 初稳性计算
  •     4.5.3 大倾角稳性计算
  •     4.5.4 固有频率计算
  •   4.6 本章小结
  • 第五章 波能供电浮标系统水动力学分析
  •   5.1 引言
  •   5.2 浮标波能发电效率分析
  •     5.2.1 数值方法
  •     5.2.2 模拟计算
  •     5.2.3 结果与分析
  •     5.2.4 试验对比
  •   5.3 浮标系统水动力分析
  •     5.3.1 理论基础
  •     5.3.2 水动力分析建模
  •     5.3.3 浮标参数设置及边界条件建立
  •     5.3.4 浮标水动力学系数分析
  •   5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  •   6.1 总结
  •   6.2 展望
  • 参考文献
  • 附录
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 姜楠

    导师: 曹守启

    关键词: 海洋资料浮标,波浪能发电,中心管,垂荡板,水动力学

    来源: 上海海洋大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 海洋学

    单位: 上海海洋大学

    分类号: P715.2

    DOI: 10.27314/d.cnki.gsscu.2019.000339

    总页数: 73

    文件大小: 3383K

    下载量: 105

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