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．     

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。     

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。     

防淤积型透空式防波堤波浪爬高试验及预测研究

波浪爬高是防波堤堤顶高程设计和预估工程造价的重要影响因素．以防淤积型透空式防波堤为研究对象，采用1∶10的模型比尺，在64组不同工况下开展防波堤的物理模型爬高试验，并记录了不同工况下防波堤迎浪侧的最大波浪爬升高度，探究了防波堤的波浪爬升特征．分别运用多项式回归方法、速度水头方法与M5’模型树算法并结合物理模型试验波浪爬高结果，发展透空式防波堤波浪爬高的预测公式．利用统计参数对3种方法发展的预测公式进行对比分析．结果表明：透空式防波堤背浪侧的波面变化滞后于迎浪侧，其最大波浪爬高小于迎浪侧，防波堤具有良好的消波效果；采用多项式回归方法与速度水头方法发展的预测公式能够在一定程度上实现对防波堤波浪爬高的预测，前者仅考虑了波高而忽略了其他波浪条件及防波堤结构参数对波浪爬升高度的影响，后者对波浪爬高的预测结果与试验值偏差较大，二者在实际应用过程中都存在一定的局限性；M5’模型树算法发展的波浪爬高预测公式利用无量纲参数综合了各项波浪要素以及防波堤的结构参数等，拥有良好的统计指数，能够更好地预测透空式防波堤的波浪爬高，具有较高的实际应用价值．     

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。     

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.     

不规则波中潜艇上浮运动的研究

采用计算流体动力学(CFD)软件中Java宏命令功能,基于ITTC双参数谱实现了迎浪不规则波的模拟,同时通过添加人工阻尼项实现了消波功能,由此构造了不规则波的数值波浪水池.对迎浪不规则波中的不同有义波高和谱形心周期展开了计算,并与目标值进行了对比,发现误差的绝对值都在4％～6％之内,有效验证了不规则波模拟的可行性.基于...     

多节漂浮式波能转换装置浮体运动及功率响应

以多节漂浮式波浪能发电装置为研究对象,基于线性波理论和波-体耦合作用分析,利用刚体动力学方程方法,建立圆柱型波能捕获浮筒在波浪中的垂荡-纵荡-纵摇三自由度非线性耦合运动方程.结合中国黄渤海波浪特点,采用频域分析方法,探讨浮筒纵摇运动特性和功率响应.结果显示,浮筒纵摇运动特性主要受浮筒的固有振动频率和浮筒长度的影响;浮筒长度、PTO液压阻尼系数及弹簧劲度系数等因素不会影响浮筒的共振频率,半径和吃水则影响显著,这些因素均对功率响应具有复杂的影响.选择合适的浮筒半径、吃水、弹簧劲度系数等是提高装置的波能转换功率和对中国近海海域适应性的有效途径.     

海平面上升对长江口波浪影响的预测与分析

基于MIKE 21SW建立了长江口波浪数学模型,采用实测资料对波浪模型进行了验证,分别模拟当前海平面和海平面上升0.5,1.0,1.5m情景下的不同风向下的波浪分布,比较分析了波浪随海平面上升的变化特征,长江口波浪随海平面上升的一般特征为:波高和周期变化过程与潮位变化过程一致,波高增量高水位时大于低水位;口内波高增量明显小于口外,滩地增量最大,滩地迎风向的波高增量比背风向大;波周期变化特征与有效波高相似,但变幅明显小于波高变幅.     

不规则波作用下浮式平台对浮式栈桥运动响应特性的影响

浮式平台-浮式栈桥系统具有运输拼组快速，受海底地形环境影响小等优点，在陆-海间大规模人员、物资和装备输送中发挥重要作用。为探究浮式平台-浮式栈桥系统在波浪中的运动响应特性，基于势流理论建立了浮式平台-浮式栈桥多浮体系统的数值模型，计算了该系统的运动响应，并与水池试验的测量结果进行了对比验证。结果表明所建立的数值模型能够较为准确地反映该多浮体系统在不规则波中的运动响应特性。在此基础上，进一步研究了不同波浪谱峰频率、浪向角和桥节相对平台位置下平台对浮式栈桥运动响应的影响。分析发现：高频波浪下平台对栈桥运动的屏蔽效果较低频波浪下更优，运动响应可减少约40%~50%；迎浪状态下平台对栈桥运动的屏蔽效果优于斜浪状态；当波浪入射方向相对稳定且浪向角小于20°时，相较于将栈桥布置于近浪侧和中部的情况，平台对远浪侧栈桥运动的屏蔽效应更显著。     

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。     

跷跷板式波浪能装置阵列发电性能分析

 波浪蕴含着巨大的能量,也具有较大的破坏作用。提出了一种跷跷板式的波浪能发电装置,采用双浮筒型的水面浮子结构形式,在水下设置垂直阻尼板。波浪激励浮子产生横摇运动,利用浮子与水下阻尼板的相对摇荡运动发电,结构简单,运行可靠。利用ANSYS-AQWA水动力分析软件计算了标准单体、大面积单体和多体阵列的发电性能,结果显示,在周期6.28 s,波高2 m的海况下,跷跷板装置具有每平方米上百瓦的发电能力,具有显著的应用前景。     

海洋资料浮标波能供电装置数值模拟研究

海洋资料浮标的电源补给问题是亟待解决的关键技术之一。本文以浮标现有技术参数为基础,通过数值模拟研究以浮标标体作为能量吸收系统,传统齿轮齿条形式作为能量输出系统,永磁发电机配合滤波整流稳压模块作为电力输出系统的海洋资料浮标波浪能供电装置的可行性。计算结果表明,不考虑各阻尼,浮标体在波浪作用下可满足高转速、低扭矩的500 W三相交流永磁同步发电机的装机容量,同时理论计算发电机的输出电压可达到海洋资料浮标蓄电池14 V的充电要求。     

Numerical study of the propagation of small-amplitude atmospheric gravity wave

By using a two-dimensional fully nonlinear compressible atmospheric dynamic numerical model, the propagation of a small amplitude gravity wave packet is simulated. A corresponding linear model is also developed for comparison. In an isothermal atmosphere, the simulations show that the nonlinear effects impacting on the propagation of a small amplitude gravity wave are negligible. In the nonisothermal atmosphere, however, the nonlinear effects are remarkable. They act to slow markedly down the propagation velocity of wave energy and therefore reduce the growth ratio of the wave amplitude with time. But the energy is still conserved. A proof of this is provided by the observations in the middle atmosphere.     

频域内海洋资料浮标垂荡运动特性研究

随波性作为海洋资料浮标的重要设计参数,影响着波浪参数的测量准确度。本文应用三维势流理论计算了圆盘浮标体的附加质量、兴波阻尼系数等水动力系数以及波浪激励力,基于单自由度运动方程研究了自由浮标的垂荡响应。考虑锚链垂向弹性回复刚度系数对浮标垂荡的影响,研究了两种类型系泊浮标在波浪中的垂荡运动响应。研究发现,直径3 m浮标较直径10 m浮标具有更好的随波性,且锚链对3 m浮标的垂荡运动的影响较10 m浮标更为显著。研究结果对波浪传感器的参数修正具有重要意义。     

大型海洋资料浮标波浪能供电装置数值模拟研究

本文以10 m大型海洋资料浮标为研究对象,分析了可适应其结构特点的波浪能供电机构。通过数值模拟计算了10 m浮标体的垂荡波浪力以及横摇角度,同时计算了波浪能转换为电能的输出功率,输出功率满足海洋资料浮标蓄电池的充电电压。最后提出了适用于此类海洋资料浮标的结构设计方案以及系统集成方案。该研究为今后海洋资料浮标波浪能供电装置的研发提供了思路。     

海洋波浪能研究进展及发展趋势

 海洋可再生能源是解决能源短缺与环境污染问题的重要方案之一,也是进行深远海开发、海岛建设及国防建设的重要支撑。在众多海洋可再生能源中,波浪能具有品质好、易利用、能流密度较大、分布广泛等优势,因此被广泛研究应用。为全面了解海洋波浪能研究进展,准确把握海洋波浪能发展趋势,以各种型式波浪能发电装置为出发点,综述了海洋波浪能研究进展,介绍了波浪能发电装置的工作原理、主要类型、技术、工程实例。研究发现,波浪能发电装置的技术类型未达到收敛,当前目标主要在于研发高效率、高可靠性及高可维护性的发电装置。波浪能发电装置发展趋势为以大型化及阵列化为基础进行商业化开发。     

双圆柱形浮体波能装置双自由度响应及转换效率分析

大部分波能装置是通过载体的振动吸收波浪能,双圆柱形浮体是其中一类波能装置,研究双浮体波能装置的振动特性对于设计及提高波能装置整体转换效率具有重要的指导作用.本文把双浮体波能装置物理问题简化为具有黏性阻尼二自由度的受迫振动系统,采用线性波理论和特征函数展开匹配法求解了波浪引起的激励力、附加质量和阻尼系数,基于振荡浮体的双自由度运动方程推导了波能装置的响应和转换效率表达式,并给出了优化原则.数值分析表明阻尼优化曲线有一波峰部分同弹簧无关,峰值的大小和对应的频率只同工况有关;当弹簧存在时,优化曲线呈现双峰值,双峰值对应的频率宽度随弹性系数的增大而变窄;低频段峰值对应阻尼较小,相对响应较大,高频段优化峰值对应相当大的阻尼,相对响应较小,几乎小于入射波波幅.