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)。     

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。     

基于非静压模型的非淹没刚性植物消波特性数值模拟研究

基于非静压单相流模型NHWAVE,设计不同的计算工况,系统研究了规则波与非规则波作用下,非淹没刚性植物的消波特性。将计算结果和实验数据进行对比分析,验证了非静压模型NHWAVE计算植物消波特性的准确性。进一步研究了波高、周期和水深等因素对植物消波特性的影响,探讨了植物消波特性与这些水动力因素的内在联系。结果表明:非淹没刚性植物的消波效率受波高和周期的影响较大,水深对消波效率的影响很小。由于波浪非线性的影响,基于线性波理论的消波理论模型对植物消波能力的估计偏小。     

不同地形下单浮子集成装置水动力性能研究

为探讨不同地形特征对单浮子集成装置水动力特性的影响,本文基于黏性计算流体动力学理论,应用Star-CCM+软件建立二维数值波浪水槽,研究了规则波作用下受不同地形影响的单浮子式防波堤与波能转换装置集成系统的水动力性能.结果表明:在低频区,不同地形下单浮子集成系统的波能转换效率均大于无地形影响下单浮子集成系统的波能转换效率...     

规则波和不规则波作用下消波建筑物前的波高分析

消波建筑物在国内外已得到广泛应用。本文采用近似方法分析了明基床上直立式消波建筑物前的波高及消波室内的波高，从而确定建筑物的消波效果。并在规则波的基础上将成果推广至不规则波作用下的情况。     

波浪非线性对海草消波特性的影响

海草所形成的植物消波体系能有效防止岸线的侵蚀。利用Sánchez-González等的实验数据分析了波浪非线性对海草消波特性的影响。研究结果表明，相对水深和波陡对海草床的波能衰减系数影响依赖于海草淹没度。相对波高一定时，拖曳力系数随相对水深的增大而增大。对给定的相对水深，拖曳力系数随波陡的增大而减小。波浪非线性对于规则波和非规则波海草消波特性的影响并不一致。用无量纲参数（邱卡数、雷诺数、厄塞尔数）表达拖曳力系数的效果取决于拖曳力系数与无量纲参数的关系中是否充分考虑波浪非线性对拖曳力系数的影响。     

斜向不规则波对直墙作用的实验研究

通过长峰不规则波和方向波谱对直墙作用的实验研究 ,分别给出了每延米斜向不规则波波浪力与正向力之比 ,方向波谱波浪力与斜向长峰不规则波波浪力之间的关系 ,通过与规则波实验结果的比较给出了斜向规则波与不规则波波浪力之间的相对关系 ;并对斜向不规则波的反射系数与正向波时的变化作出了分析     

基于激波捕捉类Boussinesq模型对岛礁地形上波浪传播的数值模拟

为了探究激波捕捉类Boussinesq模型在模拟岛礁地形上规则波和不规则波传播的可行性,采用基于完全非线性Boussinesq方程并具有激波捕捉能力的数值模型Funwave-TVD对规则波和不规则波在岛礁地形上的传播进行了数值模拟,通过与试验数据对比,分析模型中空间步长的影响,验证模型在模拟波高、平均水位分布以及波谱空间演变的能力,结果表明:采用合适的空间步长,模型能较好地模拟规则波和不规则波在岛礁地形上的传播和演化过程。对于规则波,较小的空间步长可改善破碎点处波高峰值的预测,并能更好地预测波浪破碎后波高的空间分布,相比结合经验破碎的Boussinesq模型,Funwave-TVD能更好地模拟规则波在岛礁地形上的破碎,以及破碎以后行进涌波的再生成过程;对于不规则波,Funwave-TVD总体而言能较好地模拟涌浪有效波高、次重力波的生成及空间演化和平均水位,但会低估礁坪上次重力波波高,较粗的空间步长也会低估礁坪上涌浪有效波高。     

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。     

摆式波能转换装置水动力特性频域分析

基于势流理论,建立波浪与摆式波能转换装置作用的三维频域分析模型。应用数值模型对两种质量的摆式波能转换装置进行水动力分析,在考虑粘性阻尼作用的条件下,计算传动系统的最优扭阻系数。在最佳工况下,开展了波浪频率对摆板运动响应和俘获能量影响的系统研究,给出了波浪最佳频率范围、摆板振幅、能量俘获效率以及摆板表面的波动压强。     

基于主客观权重集成法的OWC装置波能转换效率评价

OWC装置的结构形式繁多,共振周期也各不相同,全面合理地评价OWC装置的工作性能具有重要的现实意义。为优化OWC装置的工程选型,文章基于主客观权重集成法,分别采用层次分析法和熵值法计算峰值波能转换效率、一级衰减和二级衰减3个指标的主观权值和客观权值,并通过优化模型进行组合,从而确定综合权值;利用3个指标的综合权值,对4种不同结构的OWC装置的平均波能转换效率进行评分,并对评分结果进行验证和分析。研究结果表明:在所选的4种装置结构中,圆截面U-OWC的评分最高,即具有最高的平均波能转换效率;与传统OWC结构相比,U-OWC结构的平均波能转换效率较高,在实际工程中有更好的表现,在满足条件时宜优先采用。     

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。     

畸形波作用下锚泊方柱系泊张力特性研究

基于物理模型试验，探究畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力差异问题。讨论相对波高、相对周期和畸形波参数α₁对系泊张力的影响。结果显示:畸形波参数α₁和浮体系泊张力显著相关。在α₁=2.0～2.83范围内，畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值可达不规则波作用的1.9倍。在相对波高H_s/d=0.032～0.097范围内，畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值显著大于不规则波的作用结果，但畸形波和不规则波对应的1/3值及平均值几乎一致。就相对周期影响而言，迎浪侧系泊张力最大差别出现在谱峰周期T_p0p范围内。频域方面采用小波分析方法讨论畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力时频谱特征，两种波浪作用下系泊张力时频特征有显著差别。     

粤东后江湾近岸长重力波特征分析

利用粤东后江湾近岸有限水深(包括碎波带)4个测点的压力波数据,依据波谱分析方法对4个测点的入射波有效波高、长重力有效波高、有效波陡、波面谱、谱宽度和谱尖度参量进行了统计和对比分析.分析认为,在近岸有限水深条件下,波浪由近岸(相对水深0.201)到破、碎波带运动过程中,(1)长重力波有效波高呈增大趋势,至破、碎波带位置增幅最为明显;(2)入射波有效波高至破、碎波带区域达到最大,在破波带外有限水深区域呈现先增大后减小的变化趋势;(3)有效波陡、谱宽度参数呈增大趋势;(4)波浪内部能量向高、低频段发生转移,至破、碎波带区域转移程度最为明显,在峰值频率的高、低频段形成谱峰;长重力波谱强度在破、碎波带区域明显高于对应有限水深测点.     

根、茎、叶定量概化植物模型沿程不规则波消减实验

在理论分析的基础上利用根、茎、叶均可量化的植物模型,开展波浪水槽实验。通过改变实验水深、入射波高、植物分布密度等因素,研究不规则波在植物群传播时沿程波高衰减特性,利用快速傅里叶变换对不规则波频谱变化情况进行分析。结果表明,各植物模型消波效果较好,但很少出现植物消波的边界效应,不规则波沿植物群的波高变化情况多数时与Mendez理论曲线不一致,植物群各部分的波能衰减情况并无固定的变化规律。此外,波能衰减集中在谱峰频率处,且入射波高越大,透射波与入射波之间的谱峰值差值越大,但透射波的频谱宽度与入射波相比无明显变化。本研究可为采用近岸植物消波护岸提供一定的理论依据。     

两种型式的波能装置-浮式防波堤水动力性能比较研究

波能装置-浮式防波堤是将浮式防波堤与波能转换装置集成,兼具防波消浪和捕获波浪能的集成装置,能够有效降低单一功能波能转换装置的成本。研究者们提出了许多波能装置-浮式防波堤的结构型式,其中非对称式浮体结构相比于对称式浮体结构,在单向入射波的水动力性能方面拥有一定的优势。本文针对导桩锚泊的非对称式方箱-三角形挡浪板和方箱-垂直挡浪板两种浮体结构型式,通过数值模拟的方式,对比分析其水动力特性和波能俘获特性。数值模型基于黏性流体理论,以Navier-Stokes方程为控制方程,并采用VOF方法和浸没边界法求解自由面边界和流固耦合作用,探究不同入射波周期、水深和浮体排水条件下集成装置水动力性能（消波特性、能量耗散特性和波能俘获特性）变化趋势。结果表明,在近岸波浪条件下（5～8 s）,垂直挡板型式集成装置适用于较小周期波浪（5～6 s）,而三角挡板型式集成装置适用于较大周期波浪（6～7.5 s）。随着水深增大,波能俘获比总体上呈现缓慢增长的趋势。在主浮体吃水相同的情况下（排水量不同）,两种结构的透射系数基本一致;而在排水量相同（主浮体吃水不同）的情况下,垂直挡板结构型式的防波效果更好,三角挡板结构型...     

非淹没刚性植物对规则波传播变形影响实验研究

在海岸带种植红树林等水生植物可以有效的减小波浪对岸滩的破坏,系统全面地研究植物对波浪传播变形的影响是非常必要的。基于波浪水槽实验,探讨了规则波通过非淹没刚性植物波高的沿程变化,分析了水深、入射波高、植物模型密度及分布方式对反射系数、透射系数与波浪衰减系数的影响,同时与孤立波实验数据进行对比。实验结果表明,随着水深的增加,规则波的透射系数增加、反射系数和波能衰减系数减小;随着入射波高的增加,规则波的透射系数减小,反射系数和波能衰减系数增加。在分布方式相同的情况下,植物模型分布密度增加,规则波的反射系数和波能衰减系数增加,透射系数减小。在规则波入射方向上模型布置越紧密,规则波反射系数和波能衰减系数越大,透射系数越小。分析讨论了植物模型对规则波和孤立波的影响,在入射波要素相同的情况下,孤立波和规则波的能量衰减在50%左右,说明植物模型具有良好的消波作用。     

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。     

实验室中椭圆余弦波的产生

波浪从深水传入浅水后,波面形状发生了变化,波峰变陡,波谷变平,呈现出非线性波的特征,当波长与水深之比大于8时,这种波形用椭圆余弦波来描述是比较合适的.目前,非线性浅水波对近岸建筑物的作用已引起许多学者的兴趣,开展了这方面的研究,如椭圆余弦波对墩柱的作用力.因此,实验研究浅水波对建筑物的作用是必不可少的手段之一,这就提出了如何在实验室中产生波高较大、非线性较强的波浪.人们在实验中早就发现,在波浪槽中产生浅水非线性波是十分困难的.按正弦曲线运动的推板产生的波面有明显的次峰,而且作者还注意到,若波高大于0.45倍水深,产生的波浪不稳定或破碎.造成这些问题的原因之一是推板运动速度与水质点运动速度不一致.     

波能测试区波浪运动数学模型研究

为研究位于大万山岛南部的波能测试区新增发电机组对该水域波浪场产生的水动力作用,将自主建立的二维Boussinesq波浪模型应用于该测试区,模拟了不同波浪要素下装置布设前线性波的运动传播,装置布设后无锚固时其在波浪中的自由运动、有锚固时其对波浪场的影响。结果表明,装置布设前的波浪传播,低潮位时波峰线相较高潮位时更为明显,且受陆域影响更大;装置无锚固时的自由运动,低潮位时其运动速度、旋转角速度均小于高潮位时;装置有锚固时,其对波浪场的影响主要集中在背波面,会形成一道顺波向的"扇形"衰减区,其影响程度随波高、波周期的增大而减小。因此,根据研究结果所得到的相对波高衰减范围,可对后期2,3号发电装置的规划与布设提供科学依据,即尽量避开由1号装置引起的波高衰减区,以免造成波能利用率的降低。