考虑极端波浪的新型可阵列化波浪发电装置水动力优化研究

论文摘要

相比其它形式的海洋可再生能源,波浪能具有能流密度高和分布范围广的优点,其时空分布特性决定了波浪发电技术在海岛和深远海的资源开发方面具有特殊的优势和广阔应用前景,但波浪发电装置走向成熟需要经过理论研究、初步设计、数值优化、模型实验和实海况验证五个阶段性的漫长循环过程,同时发电装置在获取波浪能的同时还可能承受各种极端波浪的破坏作用,因此目前波浪发电产品常常因其性价比不高而未实现规模产业化,在制约其产业化的众多技术难点中,装置的水动力性能优化是一个重点环节,其研究将具有重要的水动力学理论意义和工程实际意义。本文将针对一种新型的密闭气动式双浮体波浪发电装置进行研究,装置的核心技术是通过上下浮体间的相对垂荡运动捕获能量,装置的上浮体质量和外形设计对装置吸收波浪能的影响最为直接,同时装置受到的极端波浪力的安全性问题也最为突出,因而装置上浮体的水动力性能优化对于装置的吸收能量效率和安全性能都十分重要,另外装置的阵列化研究对于波浪发电的产业化也具有重要意义,另外因为系泊部分对该装置主要起到水平限位的作用,为了突出本文的研究重点,文中的研究暂时忽略了系泊部分的影响。文中首先开展了上浮体最优型式的确定工作,为此本文选取了三种简单常见的上浮体形状,分析比较了上浮体形状参数对自由垂荡双浮体水动力响应的影响;并考虑双浮体波浪发电装置的能量采集输出系统是线性的弹簧阻尼系统,基于势流理论建立双浮体系统在垂荡方向上的频域运动方程并求解,理论分析发现阻尼对系统固有周期及垂荡运动的影响较大,而刚度的影响较小;进一步利用AQWA对双浮体系统在规则波下进行时域分析,得到了双浮体系统的垂荡运动响应及对波浪能的瞬时吸收功率,为了验证数值模拟结果的可靠性,本文还对三种不同上浮体型式的发电装置进行了规则波物理模型实验,实验结果与数值模型计算的时域结果进行对比基本吻合,通过以上研究确定了在本文波浪范围条件下合适质量的平底柱形为上浮体的最优型式。其次,为了考虑双浮体装置在恶劣海况极端波浪作用下的安全性能,文中基于一种特殊的极端随机波浪——畸形波生成理论,采用Matlab建立了畸形波生成的数值模型,进而利用AQWA-Drift导入畸形波的波面时程曲线进行时域分析,得到双浮体系统的垂荡响应并进行装置的可靠性分析,结果表明在畸形波作用瞬间,系统的垂荡位移、速度和波浪力都剧烈变化,双浮体间的弹簧张力和单点系泊的缆绳张力也产生瞬间极大突变,这些对装置的可靠性来说都是极其不利的,文中基于计算结果给出了装置加强的可靠建议。最后,考虑到未来波浪发电能够实现规模产业化,文中在双浮体系统水动力性能优化分析的基础上,针对直线式、矩形式和圆周式三种阵列形式,基于AQWA建立的频域和时域数值模型对阵列波浪发电装置展开了优化研究,研究不同排列方式、排列间距及波浪参数对波浪能装置阵列系统的运动特性及吸收效率的影响,最终确定在本文波浪范围条件下合适间距的圆周式阵列是最为理想的阵列模型。本文通过理论解析、数值计算和物模实验三种研究手段分析了不同波浪条件下一种新型双浮体波浪发电装置的水动力学性能,开展了不同上浮体型式优化、阵列形式的优化和极端波浪条件下的安全可靠性等研究工作,最终的研究成果和建议可为我国的波浪发电利用研究和产业发展提供有意义的科学参考价值。

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摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 波浪能的研究背景及意义

1.1.1 波浪能开发意义

1.1.2 本研究意义

1.2 波浪能分布

1.2.1 全球波浪能的分布

1.2.2 我国波浪能的分布

1.3 波浪发电装置分类

1.4 国内外波浪发电装置研究现状

1.4.1 国内外波浪发电技术研究现状

1.4.2 国内外波浪发电装置的水动力学研究现状

1.5 本文研究的主要内容

第二章装置的结构原理和数值建模理论基础

2.1 新型密闭气动式双浮体波浪发电装置

2.1.1 双浮体波浪发电装置的特点

2.1.2 双浮体波浪发电装置的工作原理

2.2 波浪理论

2.2.1 Airy波浪理论

2.2.2 随机波浪理论

2.3 三维势流理论

2.3.1 基本方程和边界条件

2.3.2 波浪力的计算

2.4 浮体的频域运动模型

2.4.1 浮体的频域运动方程

2.4.2 质量与回复刚度矩阵

2.4.3 附加质量与附加阻尼

2.5 水动力计算软件AQWA

2.6 本章小结

第三章双浮体波浪能装置的运动响应分析

3.1 上浮体的水动力分析

3.1.1 三种不同底部形状的上浮体

3.1.2 平底柱形上浮体的水动力分析

3.1.3 锥底柱形上浮体的水动力分析

3.1.4 球底柱形上浮体的水动力分析

3.1.5 不同形状上浮体的比较

3.2 双浮体系统在波浪作用下的频域分析

3.2.1 双浮体系统在波浪中的运动方程

3.2.2 双浮体系统的频域分析模型

3.2.3 双浮体系统的频域响应

3.3 规则波下双浮体系统的时域分析

3.3.1 双浮体系统的运动响应

3.3.2 双浮体系统的吸收功率

3.4 等比例模型实验

3.4.1 相似准则

3.4.2 模型结构及实验工况

3.4.3 实验结果分析

3.5 本章小结

第四章双浮体装置在不同波浪条件下的运动响应

4.1 随机波下双浮体系统的时域分析

4.2 畸形波的数值模拟

4.2.1 畸形波定义

4.2.2 畸形波的理论模型

4.3 畸形波下双浮体系统的时域分析

4.3.1 双浮体系统的运动响应

4.3.2 双浮体系统的可靠性分析

4.4 本章小结

第五章阵列式双浮体波浪能装置的运动响应分析

5.1 阵列式双浮体波浪能装置

5.2 阵列式双浮体波浪能装置的频域分析

5.2.1 频域模型建立

5.2.2 频域计算结果分析

5.3 阵列式双浮体系统的时域方程

5.4 阵列式双浮体波浪能装置的时域分析

5.4.1 时域模型建立

5.4.2 规则波下阵列式系统的运动响应

5.4.3 不同波浪参数对圆周式阵列系统吸收效率的影响

5.5 本章小结

结论及展望

结论

主要创新点

不足与展望

参考文献

附录1 弹簧阻尼系统模拟程序

1.1 双浮体波浪能装置

1.2 阵列式双浮体系统

附录2 双浮体装置在AQWA中的计算程序

2.1 频域水动力分析

2.2 时域分析

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢

附件

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 朱玲

导师: 胡金鹏

关键词: 波浪发电,数值计算,水动力性能优化,极端波浪,新型可阵列化

来源: 华南理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 华南理工大学

分类号: P743.2;TM612

DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000612

总页数: 103

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