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。     

基于Simulink的振荡水柱气室优化分析

振荡水柱式(Oscillation Water Column,简称OWC)波浪能采集装置具有结构简单、稳定性好、海洋环境适应性强等优点。为了提高该装置波能采集效率,研究波浪进入气室的振荡水柱气动特性与装置结构参数关系,为系统设计提供理论基础。以振荡水柱式波能转换理论计算分析为基础,采用Simulink软件分别建立前墙处入口压强Pq求解模型、装置气室内压强Po求解模型以及装置内振荡水柱运动方程y求解模型,研究目的是综合分析振荡水柱气室内压强与气室结构、波浪流体动力学参数之间的变化关系。     

带纵摇前墙的新型振荡水柱式波浪能装置转换效率以及水动力性能数值研究

提出了一种带纵摇前墙的新型振荡水柱式波浪能(OWC)装置,借助Open FOAM开源代码平台和waves2Foam工具包,数值模拟研究带纵摇前墙OWC装置的水动力性能和转换效率。主要研究前墙吃水d_1、前墙密度ρ、后墙吃水d_2、旋转约束力(用无量纲弹簧系数K表示)对该装置的反射系数C_r、透射系数C_t、耗散系数C_d和波能转换效率ξ的影响规律。结果表明,纵摇前墙能有效减少能量耗散,提高波能转换效率ξ;无量纲弹簧系数K对装置转换效率的影响主要集中在短波区域,且在K为0时装置具有最大的转换效率和最宽的高效频率带;前墙的密度和吃水深度对水动力系数影响不大;后墙的吃水深度对水动力系数影响较大,增加吃水深度能有效提高装置对于中短波和中长波段的波能转换效率,但对系统整体的能量耗散系数影响不大。     

非对称垂荡式振荡水柱波能转换装置的水动力性能

为提升波能转换装置的经济竞争力,针对非对称垂荡式振荡水柱（OWC）波能转换装置,基于势流理论和匹配特征函数展开法,通过引入盖根堡多项式近似表征结构尖角附近的流场奇异性行为,深入研究后墙吃水深度（非对称）、墙体厚度和线性弹簧系数对垂荡式OWC装置的波能转换效率、透射系数、气室内平均液面高程等水动力参数的影响规律。研究结果显示,后墙吃水深度及墙体厚度的增加会提升装置在长波区域的高效转换能力,并且显著提高结构物整体阻波防浪性能;线性弹簧的出现,能调节水柱振荡和结构垂荡运动响应之间的相位差,从而有效拓宽垂荡式OWC装置的高效频率带。     

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VOF模型的OWC气室波浪场数值分析

近年来,振荡水柱形式在波能转换装置中得到了广泛应用,由于波况不同,需对气室加以研究并对其形状参量进行优化,从而使空气流速和能量转换达到最大值.利用基于VOF模型建立二维数值波浪水槽,将数值计算的振荡水柱在气室内的升沉运动与物理模型试验进行比较,验证其正确性,并将OWC气室的研究手段予以推广.     

不规则波作用下岸基式振荡水柱波能装置的水动力性能研究

为了研究真实海域中振荡水柱（OWC）波能转换装置的水动力性能,本文基于势流理论和高阶边界元方法,建立了不规则波与岸基式OWC波能装置相互作用的二维非线性数值模型,不规则波基于JONSWAP谱生成。为了考虑由于水体黏性引起的能量耗散,在气室内水面边界条件中引入人工黏性阻尼。并在大连理工大学波流水槽中开展了物理模型试验,对数值模型的有效性进行了验证。研究发现,在不规则波作用下,OWC波能装置的水动力效率相较于规则波作用下有所降低,特别是在低频波区域效率差值最大。与规则波相比,不规则波浪作用下装置峰值效率对应的频率变大。气室内的相对水面高程随着有效波高的增加而降低,而气室内相对气压则随有效波高的增加而增大。OWC波能装置的水动力效率受有效波高的影响较小,其峰值效率对应的频率不受波浪非线性的影响。本文可以为OWC波能装置的设计提供参考。     

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)。     

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。     

波浪能振荡浮子转换方式实验装置的研究与设计

针对阵列式振荡浮子波浪能转换设备,提出一种在实验室进行测试研究的实验装置。该实验装置由一组阵列柱形水槽组成,水槽液面在水动力系统的驱动下,按照计算机设定的函数做升降运动;对该装置模型——柱形阵列水槽的假设,依据波浪理论进行了论证;对装置的工作原理、结构设计、技术参数、控制电路和操作运行等做了较详细的说明;对实验装置实际运行和测试情况做了介绍。结果表明:该实验装置设计合理可行,模拟波浪高度,远高于现有的造波水池,构成了一种专用的模拟造波装置;该装置为不同形式振荡浮子式波浪能转换设备的研制提供了一种多功能、大振幅、高效灵活的实验平台。     

不规则波激励下磁力双稳态波浪能转换装置的能量捕获特性研究

该研究提出了一种新型磁力双稳态机构,主要由一对同向充磁的负刚度磁环,附加一对异向充磁的正刚度磁环组成,可通过调整磁环参数有效改变双稳态装置的势垒高度,从而克服传统型双稳态装置在小幅波浪激励下转换效率低的难题。基于Cummins方程建立了系统的时域非线性动力学模型,其中采用状态空间模型替代了辐射力的卷积积分项用于加快计算速度。采用四阶龙格库塔方法求解动力学方程,获得系统响应解。采用Jonswap波浪谱,研究了不规则波激励下波浪能转换装置的转换效率随双稳态结构参数以及波浪激励参数的变化规律。结果表明,新型磁力双稳态机构在合适参数下可以达到降低势垒高度和拓宽平衡点间距的效果,从而显著提高波能捕获效率,拓宽波能捕获频带,尤其是大幅提高了系统在小波高激励下的捕获宽度。     

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。     

Investigation on the Oscillating Buoy Wave Power Device

An oscillating buoy wave power device (OD) is a device extracting wave power by an oscillating buoy. Being excited by waves, the buoy heaves up and down to convert wave energy into electricity by means of a mechanical or hydraulic device. Compared with an Oscillating Water Column (OWC) wave power device, the OD has the same capture vvidth ratio as the OWC does, but much higher secondary conversion efficiency. Moreover, the chamber of the OWC, which is the most expensive and difficult part to be built, is not necessary for the OD, so it is easier to construct an OD. In this paper, a nu-merical calculation is conducted for an optimal design of the OD firstly, then a model of the device is built and, a model test is carried out in a wave tank. The results show that the total efficiency of the OD is much higher than that of the OWC and that the OD is a promising wave power device.     

多点液压式波浪能海水淡化系统建模与仿真

为缓解淡水资源短缺及化石能源过度使用问题,提出多点液压式波浪能海水淡化系统,该系统主要由采能装置、液压传递系统与反渗透膜海水淡化设备组成。系统的采能装置采用振荡浮子式,可将波浪能转换为浮子振荡从而被液压系统吸收达到采集波浪能的目的。为了提高液压式波浪能海水淡化系统的采能效率及淡水率,利用AMEsim软件对液压传递系统进行建模与仿真,分析了蓄能器、浮子个数及波高对液压传递系统输出响应的影响。结果表明:蓄能器能够使液压马达的输出响应更加稳定;当浮子的数量增加时,液压系统达到稳定的运行状态所需的时间更短,从而有利于提高系统的效率;波高在2 m左右时,本系统的产水量达到最大。     

一种海洋柔性胶囊波能发电装置研究

海洋波浪能可再生能源的开发是未来发展的趋势,开发设计更为高效的波能转换利用装置是开发利用波浪能的关键。根据脉搏脉动机理,设计发明了一种柔性胶囊发电装置,利用柔性结构的强收缩性,让其随着波峰波谷收缩扩张,进而形成脉动来传输水体,使相连尾端竖管内水位随着脉动骤升骤降来压缩排出和快速吸入空气。进行了一系列探索性实验,着重研究柔性材料厚度、波高、周期、气室孔径对该试验装置的波能转换率的影响,数据表明,柔性硅胶管有很好的聚波作用,气室的设计和建造对波能转换效率有较大的影响。