振荡水柱波能发电装置气室的三维数值模拟研究

振荡水柱装置是目前世界上应用最为广泛的岸式波能发电装置.气室作为该装置的主要结构可将入射波浪的能量转换为往复振荡的气流动能,是完成能量一次转换的关键结构.为了建立用于考察入射波浪、气室内的波面振荡变化,准确预测气室工作性能的三维数值模拟模型,构建了基于VOF模型的三维数值波浪水槽.通过与物理模型试验的结果对比发现,该模...     

半球形多向波聚合波道振荡水柱气室优化设计

为了解决振动水柱式波浪能转换装置收集多向波浪问题,本文设计了半球形多向聚合波道振荡水柱气室结构,以适合远海单点波浪能采集和发电。在规则波正向入射条件下,基于流体仿真分析软件(FLUENT)、流体动力学连续性假设和粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程(Navier-Stokes方程)建立半球形振荡气室和三维数值波浪水槽模型。仿真结果表明:增设气室后壁,合理设计波道开口角度实现多向迎波捕获波浪能,优化前壁形状可降低波浪触底反射带来的能量耗散,同时提高了气室内空气压强和出气口速度,有效提升波浪能俘获效率,为后续发电的二次能量转换提供高效的空气动力。     

基于介电弹性体的漂浮式振荡水柱发电分析

为解决海洋监测微型传感器供能问题,设计新型波浪能捕获装置,在海面振荡浮筒气室产生空气气柱,驱动介电弹性体形变发电为传感器供能。建立振荡浮子式气柱数值模型,研究新型振荡水柱发电计算理论。利用水动力仿真软件AQWA求解浮子所受波浪力作用振荡幅值、辐射阻尼和附加质量。基于Simulink软件分别计算波浪作用下浮子位移和气室内水柱位移,根据两者的位移差计算气室体积变化所产生的空气压强、介电弹性体发电薄膜形变量和系统输出电能,单次循环周期最大发电量达到24.6 mJ。分析波浪周期、发电薄膜几何参数等对输出电能的影响。     

基于振荡水柱原理的大型海洋浮标供电系统设计及优化

大型海洋浮标需具备独立工作、连续监测、实时传输数据的能力,稳定、便利的供电系统是保障浮标正常工作的关键。目前应用较为广泛的太阳能与蓄电池的混合供电系统,受昼夜交替、日照时长和海上高盐高湿环境影响较大,维护成本高。而波浪能作为一种清洁能源同时具有获能不间断的特点,可以为浮标持续性供电。本研究设计了基于振荡水柱原理的大型海洋浮标供电系统,通过数值模拟计算,研究了装置在不同结构形式下的气动性能,计算结果表明波长气室直径比L_d=5.5、孔板面积比e=1.25%、波长气室间距比L_k=7时装置具有最佳功率与俘获宽度比,装置从基本尺寸经结构优化后,俘获宽度比从0.178 m^-1增加至0.260 m^-1,提高了约46.1%。     

OWC波浪能采集气室内水动力学压强分析

振荡水柱(Oscillation Water Column,OWC)是近年来发展较快的波浪能采集技术,该装置主要由箱体、振荡水柱和压缩空气柱组成,而波浪在气室内产生的压强对能量转换效率等起到决定作用。结合三维侧向开口的振荡水柱波能转换装置,基于线性波理论,采用三维Green函数法建立了气室内水气动力学性能的空气压强理论计算模型,利用多维切比雪夫(Chebyshev)多项式求解,计算结果精度高,能够准确表达波浪和结构设计参数对气室内压强影响。依据理论计算模型分析了波浪周期、波长、吃水深度、入射波幅等参数对气室内压强作用。     

离岸式振荡水柱气室参数CFD优化设计

采用计算流体动力学分析(CFD)技术研究离岸式振荡水柱波能转换装置的设计参数优化问题。首先,借助FLUENT软件用户自定义函数功能(UDF)并运用动边界造波及多孔介质消波方法建立基于线性波浪理论的二维数值波浪水槽,然后,将水槽的分析方法应用于振荡水柱气室仿真研究。结果表明:离岸式振荡水柱气室在发生共振时转换效率最高,气室内液面升降幅度随着波能转换装置的前墙入水深度、厚度以及气室宽度的减小而产生较明显的增大;相对于前墙尺寸,气室宽度对波能转换装置的能量转换功率影响较大。     

集成于方箱防波堤的双气室振荡水柱波能装置转换效率研究

为实现建造、运行和维护等方面的资源共享,将振荡水柱(oscillating water column,简称OWC)波能转换装置与现有海工结构集成耦合,已成为目前海洋波浪能转换利用的热点问题。以集成于方箱防波堤的双气室OWC装置为研究对象,借助开源代码平台OpenFOAM和造/消波工具箱waves2Foam,采用流体体积法(VOF)捕捉自由面和6自由度(6DOF)动网格求解器模拟垂荡运动响应,对在不同规则波作用下,中墙相对宽度、中墙相对吃水对装置波能转换效率及水动力特性的影响进行数值研究。结果表明,较大的中墙相对宽度能够增强装置的波能转换效率(ξ_total(max)=73%)、降低结构物的相对垂荡位移并对装置前后气室内水柱的振荡幅度与压强变化产生影响;增加中墙相对吃水能显著提高气室在中高频波段波能提取效率(ξ_total(max)=78%),并显著拓宽气室的高效频率带宽(0.9≤ω²h/g≤2.2)。     

大万山岸式振荡水柱波力电站的输出功率

中国科学院广州能源研究所在位于南海的珠海市大万山岛建成一座岸式振荡水柱型示范波力电站。波力电站具有喇叭口前港,属多振荡型。广州能源研究所于１９８９年、１９９０年及１９９１年分别对其做了三次短期海上实测,其中包括对Ｗｅｌｓ透平发电机组的海上运行试验,证明该电站具有良好的实海况发电性能。电站的总能量俘获宽度比约为１０～４０％。本文对电站作了概述,并给出了电站实海况运行的结果。在该电站原有结构基础上,广州能源研究所已将其改建成一座２０ｋＷ的波力电站,并于１９９６年２月试发电成功。     

弹性胶囊振荡水柱式波能转换装置的水动力特性研究

波浪能是一种极具潜力的可再生能源。为推进波能资源的利用,开发具有应用前景的新型波能转换装置（WEC）,提出了创新性的弹性胶囊振荡水柱式（EC-OWC）波能转换装置,设计建立了物理试验模型。通过膨胀波试验,研究了弹性胶囊的膨胀特性和自由膨胀波的运动特性;通过波浪试验,研究了装置与波浪耦合作用时的水动力性能,以及波浪和模型参数对系统振荡和波高放大比的影响。结果显示：装置内外水头差由0增加至30 cm时,自由膨胀波波速由约3.02 m/s减小至1.90 m/s,与一维纵波理论结果规律相符;相对水深在0.064 4~0.078 2范围内时,稳定后的波高放大比基本均超过4,其中相对水深值为0.070 6时达到最大波高放大比6;波高放大比随相对水头的增大先增大后减小,相对水头值为6时达到最大波高放大比6.5;波高放大比在相对管长为1.77时达到最大值6.35。结果表明：一维纵波理论可为弹性胶囊的设计提供支撑;控制水头差可有效调整装置的自然振荡周期;当装置内外振荡周期相匹配时,系统达到近似共振,装置内部膨胀波为驻波,且当胶囊长度接近半波长时,波高放大比达到最大。通过对EC-OWC模型的初步水动力性能试验研究,展示了该装置的优越性能和共振特性,可为此类WEC的开发提供参考。     

岸式振荡水柱波能装置的波浪载荷及保护措施探讨

本文对振荡水柱波能装置的水柱做了时域计算，研究了内水柱在气室处于封闭状态、有阻尼状态和无阻尼状态下的动力响应。得出了相应的波浪载荷，并对波能装置的几种保护措施作了探讨。数值结果表明，带有阻尼的气室不能有效地阻止内水柱的运动，将使结构承受危险载荷的打击；全封闭的气室能有效地阻止内水柱的运动，但可能使气室里产生高压；收缩口与破浪锥联合作用，可以消耗水柱的动能，大大地减少载荷，是一种有前途的保护措施。     

不同形状振荡浮子入水冲击的实验研究

振荡浮子在波浪能转换装置中应用非常广泛,在其服役期间,由于较小的设计吃水深度或为防避极端海况的需要,它们经常会离开水面;当其再次入水的时候,浮子底部就会受到入水冲击。入水冲击总是伴随着巨大的冲击压强以及冲击载荷,会导致浮子的结构性及疲劳性破坏,从而影响浮子的工作寿命。本文对锥形、半球形和横圆柱形三种形状的浮子入水冲击过程进行了实验研究,分析了浮子表面压强和冲击加速度的变化规律。主要结论如下:(1)在巨大的水阻力作用下,入水瞬间三种浮子表面压强急剧上升,迅速达到最高峰值;之后由于空气垫的作用,压强出现二次峰值现象。(2)在空气垫的作用下,三种浮子的最高压强峰值均未出现在浮子的最低点处,而是出现在外围某处。(3)三种浮子在触水瞬间的加速度均达到hm/s~2的量级,而后急剧下降,并在较短时间内达到一平衡值并沿其小幅震荡。(4)横圆柱形浮子由于其非垂直轴对称性,其表面压强和加速度的震荡更加明显。     

海底管道水下气体扩散FLUENT仿真分析

海底管道气体扩散到自由表面的半径及泉涌高度是进行水下气体泄漏风险分析的关键因素。利用FLUENT软件中的VOF模型和DPM模型耦合方式,对海底管道气体竖向扩散进行了仿真。模拟了水气两相交界面的行为,研究了气泡粒子扩散过程,分析了气泡粒子的扩散半径及轴向位移,讨论了不同泄漏速率对水下气体上升时间及水气两相交界面中泉涌高度的影响。通过模型中的水气两相交界面中泉涌高度和上升时间与实验结果的比较,验证了模型在一定条件下的正确性。     

多波束水体数据中旁瓣干扰处理方法研究

多波束水体数据是水下物体后向散射强度数据,也是国内外的研究热点之一。本文系统的分析了旁瓣干扰对水体数据的影响,发现接收旁瓣干扰是影响多波束水体数据质量的关键因素。基于平坦海底情况下旁瓣干扰具有相同分布规律的特性,提出了一种适用于平坦海底的多波束水体数据处理方法。该方法在保留最小倾斜距离(Minimum Slant Range,MSR)内水体数据的基础上,可有效剔除MSR以外接收旁瓣干扰。通过模拟水体数据处理验证以及实测水体数据处理分析,发现该方法提高了水体数据中目标的识别能力。     

多波束声纳水柱影像在浅水目标探测中的应用

在海道测量领域,有关多波束声纳水柱影像的应用研究已成为当前的前沿和热点问题之一。分析了影响水柱影像质量的主要因素,阐述了水柱数据采集的参数设置和影像判读的一些要点。通过在南海区的几个实践案例的分析,对水柱影像在水下障碍物探测中扫测细小物体、获取目标详细特征等作用进行了验证,说明了水柱影像在多波束声纳底部检测的质量控制方面存在的优势,最后提出了目前面临的一些问题和应用前景。     

基于粒子群优化神经网络的水深反演模型

针对直接采用BP神经网络反演水深收敛速度慢,且易陷入局部最优的问题,提出了一种基于粒子群(PSO)优化BP神经网络的水深遥感新模型。该模型首先利用粒子群算法对BP神经网络的权重和阈值进行优化,然后将该优化值作为BP神经网络的初始值,最后再将PSO优化后的模型用于测试海区的反演精度评估。实验结果表明,该模型的网络收敛速度明显加快,水深反演的精度也得到提高。     

多波束水体影像的归位算法研究与实现

多波束水体影像近年来得到了广泛的应用,但由于缺少格式标准,各多波束厂商所支持的格式各不相同,给进一步的数据处理带来了一定的困难。基于Matlab平台,通过对ALL格式多波束测深数据文件与WCD格式多波束水体影像文件进行了详细的解析,并且研究了最近邻插值、改进最近邻插值、二维线性插值与三次多项式插值等多种算法,实现了多波束水体影像的回放显示与水体异常提取,并且实现了回放速度的控制,极大地提高了资料处理效率。     

Water Column Distribution of Mercury Species in Permanently Stratified Aqueous Environments

Biogeochemical structures of three permanently stratified waterbodies were studied: a sea water basin (the Black Sea), an estuary (Hunnbunn fjord), and a freshwater lake (Nordbytjernet), with focus on the distributions of methylmercury (MeHg) and total mercury (THg). THg concentrations were similar in the sea water basin (0.2–1.8 ng/L) and the freshwater lake (0.8–1.2 ng/L), but significantly higher in the estuary (0.6–9.4 ng/L). An increase in the MeHg concentration and MeHg/THg ratio were found in the redox zone in all three basins, indicating bacterial production of MeHg in the aqueous phase. In the lake and estuary, the maximum MeHg concentration and MeHg/THg ratio were found in samples located closest to the bottom sediments, likely due to the formation of MeHg in surface sediments and subsequent diffusion to the overlying waters.     

基于潮汐模型与余水位监控法的实例分析

介绍了基于潮汐模型与余水位监控的水位改正法在成山角东侧近海区域定线制多波束测量中的应用情况。结合本实例应用,总结了依适用性检测、验潮站布设方案设计、水位改正值计算等的实施步骤及技术细节。在本次测量中,由沿岸成山角站实现了邻近无潮点附近整个测区的水位控制,水位改正中误差约为0.064m。这证明潮汐模型在近海区域已能满足水深测量工程应用需求,且在严密论证的前提下可在工程实践中完全代替传统水位改正方法。