岸式振荡水柱波能装置的水动力性能研究

论文摘要

发展可再生能源实现人类社会的可持续发展已成为当今世界共识。浩瀚的海洋拥有丰富的可再生能源,而波浪能作为海洋能的一种,其能流密度高、储量巨大,是一种优质的可再生能源。振荡水柱(OWC)波能装置由于其结构形式和机械性能简单、可靠性高等优点而成为世界上应用最广泛的波能装置。然而,关于OWC波能装置的水动力性能仍有许多问题需要进行深入、系统的研究,如波浪非线性和粘性效应对装置水动力性能的影响规律尚不明确、关于装置生存能力的研究尚为欠缺等;另外,传统的单气室OWC波能装置还存在能量转换效率低、有效频带宽度较窄等问题,装置的结构也需要进一步优化。本文主要通过数值模拟和物理模型试验相结合的方法对OWC波能装置的水动力性能展开研究和优化,以期提高OWC波能装置的能量转换效率和生存能力,主要研究内容如下:(1)建立了能模拟OWC波能装置水动力过程的完全非线性势流时域数值模型。在气室内的自由水面边界条件引入修正阻尼,等效装置前墙附近流动分离和涡旋脱落等粘性效应。采用该模型分别对单气室和双气室OWC波能装置的水动力过程进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证。结果表明该数值模型能准确模拟OWC装置气室内、外波面变化和气室内气体压强变化,能够准确对OWC波能装置的能量转换效率进行预报。(2)针对OWC波能装置的受力特点,引入修正阻尼和气体压强,对伯努利方程进行了修正。在通过物理模型试验数据验证后,利用修正的伯努利方程对单气室和双气室OWC波能装置受波浪荷载情况进行了模拟计算,探明了波浪要素和气室几何参数等对OWC波能装置上波浪荷载的影响规律,克服了物理模型试验只能测得有限离散点压力数据的缺点。(3)开展物理模型试验对单气室OWC波能装置的水动力性能进行了研究。系统地探讨了波浪要素、气室几何参数(气室宽度、前墙吃水、气孔直径)和海底地形对OWC波能装置能量转换效率的影响。揭示了波浪要素和气室几何参数等对OWC波能装置能量转换效率的影响规律。在此基础上,首次对岸式双气室OWC波能装置的水动力性能进行了系统的试验研究。探明了波浪要素、气室宽度比、气室墙体吃水等参数对双气室OWC波能装置水动力性能的影响规律。研究表明,相对于单气室结构,双气室结构的OWC波能装置不仅能提高OWC波能装置的能量转换效率,而且还能增大装置的有效频带宽度,为OWC波能装置的进一步优化奠定了基础。(4)采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法,分析了波浪非线性和粘性效应对单气室OWC波能装置水动力性能的影响。研究发现:波浪非线性加强了气室外侧波浪的反射和基频波能量向高阶谐波的转移,由于高频波透射能力弱,其能量未能进入气室而降低了OWC波能装置的能量转换效率;粘性效应对装置能量转换效率的影响在装置共振频率时最为显著,因此,在共振频率下时,能量转换效率随入射波幅的增大下降得最快;粘性对OWC装置气室墙体外侧波浪力的影响大于对其内侧波浪力的影响。

论文目录

摘要

ABSTRACT

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 波浪能开发现状分析

1.3 OWC波能装置国内外研究进展

1.3.1 OWC波能装置的能量转换效率

1.3.2 OWC波能装置的受力研究

1.3.3 双气室OWC波能装置水动力性能

1.4 本文主要工作

2 数学模型和数值方法

2.1 控制方程和边界条件

2.1.1 数值水槽和坐标系

2.1.2 控制方程

2.1.3 边界条件

2.1.4 初始条件

2.2 速度势的时域求解

2.2.1 边界积分方程的建立

2.2.2 边界积分方程的离散

2.2.3 时间步进过程

2.3 气动模型的建立

2.4 能量转换效率的求解

2.4.1 单气室OWC波能装置的能量转换效率

2.4.2 双气室OWC波能装置的能量转换效率

2.5 波浪荷载的求解

2.5.1 波浪荷载的求解

2.5.2 伯努利方程的修正

2.6 网格的生成与更新

2.6.1 网格的生成

2.6.2 网格的更新

2.7 本章小节

3 试验技术与方法

3.1 试验内容与试验设备

3.2 单气室OWC波能装置水动力性能模型试验

3.2.1 试验布置

3.2.2 试验工况

3.2.3 试验数据采集及分析方法

3.3 双气室OWC波能装置水动力性能模型试验

3.3.1 试验布置

3.3.2 试验工况

3.3.3 试验数据采集及分析方法

3.4 本章小结

4 单气室OWC波能装置的水动力性能研究

4.1 数值结果与试验结果相互对比

4.1.1 试验数据可靠性分析

4.1.2 数值模型参数的确定

4.1.3 波面对比与气体压强对比

4.1.4 能量转换效率对比

4.1.5 动水压强对比

4.2 单气室OWC波能装置能量转换效率的试验研究

4.2.1 波浪要素对能量转换效率的影响分析

4.2.2 气室几何参数对能量转换效率的影响分析

4.3 单气室OWC气室内、外波面变化的试验研究

4.4 气孔形状对单气室OWC水动力性能的影响研究

4.4.1 气孔形状对能量转换效率的影响

4.4.2 气孔形状对前墙动水压强的影响

4.5 单气室OWC波能装置波浪荷载的数值模拟

4.5.1 前墙上的动水压强分布

4.5.2 波浪要素对前墙受力的影响分析

4.5.3 气室几何参数对前墙受力的影响分析

4.6 本章小节

5 单气室OWC波能装置中非线性现象及粘性效应研究

5.1 非线性和粘性效应对能量转换效率的影响分析

5.1.1 波浪要素

5.1.2 非线性对能量转换效率的影响分析

5.1.3 粘性效应造成的能量损失研究

5.2 粘性效应对波浪荷载的影响分析

5.2.1 数值模型验证

5.2.2 粘性效应对波浪荷载的作用分析

5.2.3 气室几何参数对粘性效应的影响分析

5.3 本章小结

6 双气室OWC波能装置的水动力性能研究

6.1 单PTO双气室OWC波能装置的水动力性能研究

6.1.1 数值模型

6.1.2 与单气室OWC波能装置对比

6.1.3 气室宽度比的影响

6.1.4 墙体吃水的影响

6.2 双气室OWC数值结果与试验结果相互对比

6.2.1 波面对比与气体压强对比

6.2.2 装置吸收的能量对比

6.2.3 动水压强对比

6.3 双气室OWC波能装置能量转换效率的试验研究

6.3.1 与单气室OWC装置水动力性能对比

6.3.2 气室宽度比的优化分析

6.3.3 气室墙体吃水的优化分析

6.4 双气室OWC波能装置波浪荷载的数值模拟

6.4.1 墙体上的波浪荷载分析

6.4.2 气室宽度比的优化分析

6.4.3 气室墙体吃水的优化分析

6.5 本章小节

7 结论、创新点与展望

7.1 研究工作总结

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王荣泉

导师: 宁德志

关键词: 波浪能,振荡水柱波能装置,能量转换效率,波浪荷载,粘性效应,高阶边界元,物理模型试验

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源

单位: 大连理工大学

分类号: P743.2

总页数: 176

文件大小: 18343K

下载量: 223

岸式振荡水柱波能装置的水动力性能研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢