双浮体波能装置的水动力计算与能量转换特性分析

 波浪能是一种可再生清洁能源,波浪能发电是开发和利用波浪能的主要形式。双浮体波浪能发电装置是一种结构简单、建造和安装成本较低的波浪能装置。为提高该类装置的可靠性和能量转换效率,本文针对其水动力性能和能量转换特性进行研究。基于线性波浪理论,建立装置的运动学方程,确定装置不同结构体的运动响应函数以及能量输出函数,并采用频域水动力数值方法,计算装置不同结构体的水动力系数,获得不同条件下位移幅值和输出功率随波浪频率的变化曲线。经过计算与分析,获得波浪作用下装置的运动规律和能量输出受波浪频率、PTO 系统阻尼系数以及装置的结构和材料等因素的影响规律。     

基于CFD的波浪能转换装置水动力性能分析

为了研究点吸式波浪能转换装置的水动力性能和载荷,采用基于黏性流体力学的CFD方法,模拟三维数值波浪水池,计算了波浪能转换装置的浮子在波浪周期为1.6,2.0,2.4s的运动位移和速度,以及浮子在特定波浪参数下的垂向受力,并与实验值进行对比.结果显示计算值与实验值符合良好,验证了此方法的准确性与可行性.在此基础上,进一步计算并分析了不同机械阻尼对装置运动性能的影响,结果表明机械阻尼增大会导致浮子的运动位移和速度减小,为装置的性能优化提供了依据.     

斜支柱小水线面双体船水动力性能的数值研究

基于三维势流理论并考虑黏性阻尼,计算某斜支柱小水线面双体(I-SWATH)船在波浪中的运动响应.与常规直支柱小水线面双体船和代尔夫特372双体船进行对比,I-SWATH船具有更好的耐波性能.以此为基础,充分考虑黏性条件,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程并结合重叠网格方法,进一步研究该I-SWATH船在静水及规则波中的阻力性能及运动响应.计算结果表明:I-SWATH船存在波浪增阻为负值的情况,并获得了在某种程度上倾斜支柱能够利用波浪能量的结论.     

具有非线性PTO的波能装置水动力及获能分析

运用计算流体力学(CFD)方法对系泊双浮体波浪能装置的水动力及PTO(动力输出装置)非线性出力特性进行模拟和分析,利用VOF(流体体积分数)方法结合动网格及刚体求解技术模拟波浪生成及浮体运动,分析了不同速度指数的非线性动力输出装置下波浪能装置的水动力及获能特性,并与线性PTO的特性进行对比.在此基础上提出一种组合控制模式,可使波浪能装置在较大的PTO阻尼系数范围内维持较高的俘获宽度比.     

多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率．本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布．结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险．对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响．三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性．     

基于阻尼控制的不同底部形状振荡浮子俘能效果对比

 为优化振荡浮子式波浪能装置的能量俘获效果,针对圆柱形浮子底部的形状对装置俘能的影响展开研究,选取主流的平底、圆锥底和半球底进行计算对比。首先,建立浮子运动的频域模型;然后,通过ANSYS-AQWA对3种浮子进行水动力计算,得到3种浮子的附加质量、辐射阻尼、波浪激励力、幅值响应算子等水动力参数,对结果进行比较;最后,在频域运动模型中加入阻尼控制,研究在波浪激励下不同底部形状浮子的能量俘获效果,结果表明,阻尼控制可以明显提高浮子的能量俘获效率,半球底浮子在波浪谱较宽的工况下能量俘获效果更好,而平底浮子更适合谱峰频率在其固有频率附近且波浪谱较窄的工况。     

点吸式波浪能装置的功率特性研究

基于线性规则波理论针对固定式点吸收波浪能发电装置进行研究,通过数值计算,分析了锥形浮子与圆柱形浮子在无阻尼和有阻尼条件下在波浪作用下的运动规律,探索浮子的运动响应和装置的能量转换效率与浮子形状、波浪频率或周期以及PTO系统阻尼之间的内在关系,寻求进行固定式点吸收波能装置最优化设计的方法。通过计算和分析,提出了浮子结构和PTO系统阻尼特性对装置能量转换特性的影响规律,该结论可为点吸式波浪能转换装置的理论研究和工程应用提供参考和借鉴。     

点头鸭式波浪能采集装置的数值模拟

为优化波浪能采集装置,以FLUENT软件为平台,建立了“点头鸭”和波浪水槽模型,对“点头鸭”在稳态均匀流和非稳态规则波作用下的水动力学特性进行了数值仿真。水槽中的规则波采用推板造波的方式生成,自由水面的追踪采用VOF方法确定。模拟得到了两种水流环境中“点头鸭”在受来流冲击时,鸭体所在区域的压力分布、速度分布以及鸭体所受波浪力的变化规律。结果表明,在均匀来流环境下,来流速度越大,鸭体所受波浪力越大,且随攻角增大而增大的趋势越发明显;在规则波环境下,鸭体所受波浪力近似呈周期性变化,其大小与攻角角度有明显关系,但并非呈单调变化。在所研究的工况中,攻角为60°时,鸭体所受的波浪力最大,此时“点头鸭”装置具有最大的可发电机械能。     

海底铰接柱体结构动力反应

一、引言 海底铰接柱体与波浪相互作用在文献[l—3]中做过理论与模型分析,但对于该结构动力反应了解得尚不深,这是因为在用修改了的Morison方程来探讨该结构动力反应时,尚无专门文献讨论过有关的水动力系数。同时对该结构在不规则波作用下的反应研究也较少。 本文按达朗倍尔原理,导出结构在Airy波作用下的运动方程。由求解简化的运动方程,分析水动力特征、结构振幅及其与波浪运动间的相差,得出水动力系数。文中也分析了不规则波作用下的反应问题。 二、理 论 分 析1.运动方程 图1表示一典型海底铰接柱体结构。在波、流作用下,结构作旋转运…     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

基于AQWA的带支腿浮式结构的水动力特性分析

在利用有限元软件计算带支腿浮式结构水动力响应时,为了分析网格尺寸对结构水动力特性计算结果的影响,根据势流理论及波浪的辐射/衍射理论,对某带支腿浮式结构的桩腿收起时的水动力响应进行了分析,并运用数值计算软件AQWA对其进行仿真计算,得到采用不同网格尺寸计算时,浮式结构各自由度附加质量、附加阻尼、不同入射角的波浪作用下的波浪激励力及幅值响应算子随波浪频率的变化曲线。数值计算结果表明,网格尺寸对结构附加质量、附加阻尼有一定的影响,对波浪激励力的影响较小,对结构的幅值响应算子影响不大。     

基于ＡＱＷＡ 的带支腿浮式结构的水动力特性分析

在利用有限元软件计算带支腿浮式结构水动力响应时,为了分析网格尺寸对结构水动力特性计算结果的影响,根据势流理论及波浪的辐射/衍射理论,对某带支腿浮式结构的桩腿收起时的水动力响应进行了分析,并运用数值计算软件AQWA对其进行仿真计算,得到采用不同网格尺寸计算时,浮式结构各自由度附加质量、附加阻尼、不同入射角的波浪作用下的波浪激励力及幅值响应算子随波浪频率的变化曲线。数值计算结果表明,网格尺寸对结构附加质量、附加阻尼有一定的影响,对波浪激励力的影响较小,对结构的幅值响应算子影响不大。     

近岸波浪作用下污染物运动数值研究

近岸波浪是影响污染物输移扩散的重要水动力因素之一.波浪对污染物输移扩散的影响主要有波浪扰动造成的水体紊动系数的增大和波浪破碎后形成的波生流对污染物输移作用.结合基于波作用守恒方程和光程函数方程的近岸波浪模型、三维水动力模型,以及污染物输移扩散模型,对波浪传播过程中污染物离散系数变化以及波浪破碎后形成的波生流中的污染物输移进行了数值模拟.模型基于非结构化网格,可用于大范围波流以及污染物的耦合计算.数值结果与解析值以及实验结果进行了对比,验证了模型的精度和适应性.     

基于SPH-FE方法的波浪中结构物动力特性模拟研究

海工结构物在波浪荷载作用下产生动力响应,本文基于光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FE)耦合方法对结构物受孤立波冲击过程中表面压力分布和动力响应特性进行研究.通过溃坝模型模拟了水柱倒塌冲击结构物的过程,分析SPH模型中粒子间距对数值结果的影响,并通过与文献结果对比验证了本文数值方法的可行性.在此基础上研究水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度对波浪到达时间、结构动力响应和波浪冲击荷载特性的影响.研究结果表明:在本文计算条件下,波浪到达结构物的时间与溃坝初始水柱高度关系不明显,但随水柱与结构物间距的增大而线性增加;结构物顶端位移响应幅值随水柱高度、水柱与结构物间距及结构物刚度的变化较明显;结构物所受波浪冲击荷载与水动力作用呈正相关关系;当水动力作用相同,结构刚度增大时,结构物底端所受波浪力会增大.     

浮绳式网箱框架纲波浪力特性的初步试验研究

结合生产的实际需要,沿海浮绳式网箱生产的作用日益突出,因而研究其水动力特性非常重要。根据这一需要,采用预加张力的直交系泊方法,依据目前柔性浮绳式网箱尺寸和渔具模型试验方法设计、制作了一个柔性浮绳式网箱模型（1 m×1 m×1 m）,并进行了水槽试验。试验工况为规则波,周期为0.8～2.0 s（间隔0.2 s）,波高为50～250 mm（间隔40 mm）。在不同波浪周期、波高下,根据测量数据,分析研究作用在浮绳式网箱框架纲上波浪力的特性。试验结果表明：波浪力的变化与波浪特性相似,呈周期性、不对称变化,垂直于波浪方向的2根框架纲的波浪力峰值比与波浪方向平行的2根框架纲的稍小。框架纲上的波浪力不是同步变化的,存在一定相位差,但由于框架纲是柔性绳索制成的,因而能承受由于不同相位波浪力产生的扭矩剪切作用,证明了波浪作用下HDPE网箱常受到破坏而浮绳式网箱安然无恙的事实。最后,就水流和波浪共同作用下的网箱水动力学进行了试验研究,发现波流共同作用下的水动力值并不是单独在纯流和纯波下的水动力的值的简单相加,而存在一修正项。     

侧壁开口沉箱水动力学研究

对具有吸能作用的侧壁开口沉箱在二维线性波作用下的水动力性能进行了研究： 采用局部有限元法分析流场．气室喷嘴负荷按能量等效原则进行线性化处理．计算表 阴．沉箱内外波高均小于立波波高；作用在沉箱的水平波力及倾覆力矩都比立波作用 在实体沉箱上小：沉箱吸能的效率与波周期的关系曲线簇呈共轴型．理论计算的波高 反射率及气室相对气压与实验基本吻合，与 Ｒ．Ｏｊｉｍａ等的实验值吻合也较好．     

波浪能转换装置主动控制研究现状与发展

波浪能是可再生的清洁能源，具有相当可观的发展潜力，但由于波浪的不规则运动等因素，波浪能发电系统的能量转换效率较低。本文关注于波浪能转换装置的主动控制，首先对波浪能发电原理进行了介绍，其次从波浪能转换装置控制模型的失配、未来波浪信息预测和能量输出系统的功率损耗三个方面，总结了近年来波浪能转换装置控制技术的现状与发展，最后指出了人工智能技术、多性能优化和阵列管理等方向是波浪能转换装置控制研究的发展趋势。     

振荡浮子式波能转换装置阵列的物理模型水池试验

 振荡浮子式波能转换装置在防波堤上进行阵列化布置时,各装置的浮子获能体之间会发生复杂的水动力相互作用,影响装置的运动和发电性能。开展物理水池试验,研究了防波堤前振荡浮子式波能装置阵列的水动力响应特性,着重分析了不同波浪条件下浮子尺寸和分布间距对装置运动性能和发电功率的影响规律。研究发现,在所考虑的参数范围内,相同波况条件下,小半径浮子波能装置的发电功率更高;窄频带波浪环境中,小间距布置有利于产生更大的功率峰值,且入射波高对装置的发电功率有显著影响。     

三维无反射数值波浪水池及波浪与结构物相互作用的模拟

基于不可压缩黏性流体的N-S方程,采用质量源造波法建立了三维无反射数值波浪水池,并成功地模拟了波浪与浮体的相互作用问题.该数值水池中间为质量源造波区和工作区,两端为消波区,以避免由边界引起的二次波浪反射.数值模拟规则行进波传播,波浪与贯底直立墙壁、矩形浮体、多浮体相互作用,并与边界法数值水池造波以及相关理论、试验结果进行了比较.研究表明,质量源法数值水池较好地模拟了波浪传播及在结构物前形成的驻波,克服了边界造波法无法消除二次反射波的困难,体现了无反射数值波浪水池的效果.采用数值模拟研究了波浪与并排旁靠的Wigley船和矩形驳船在不同频率波浪作用下的水动力性能,各频率上浮体所受的波浪力计算结果和试验值吻合良好,在共振频率附近比势流结果更为准确.     

基于浮式防波堤的后弯管波浪能发电模型研究

后弯管波浪能发电技术是振荡水柱发电技术中的一种,因其具有良好的波浪能捕获性能而被广泛研究。为了研究吃水深度、气室形状、后弯管迎浪面形状和水平管长度对后弯管俘获宽度比的影响,首先基于仿真软件Fluent建立波浪水槽数值模型,然后进行比例模型试验,最后对比数值模型和比例模型结果以验证仿真结论。研究结果表明:在形成封闭气室的条件下,吃水深度越小,俘获宽度比越大;当气室形状改变造成工作液面截面积变化时,会对俘获宽度比产生影响;气室形状对喷嘴处流速影响明显,当气室倾角θ为60°时,俘获宽度比和喷嘴处流速最大;改变后弯管迎浪面形状可以改善波浪能捕获效果;长度适合的水平管可以提高俘获宽度比,当水平管长度超过波长的1/4后俘获宽度比降低。可见,4种参数对后弯管的发电性能有较大的影响。研究结果对浮式防波堤的海上发电工程具有一定的参考价值。