南海海况下振荡式波能发电装置的研究与分析

振荡浮子波浪能发电装置能量的转换效率较高,可以在不同水深条件（特别是超过４０ｍ 的深水区）下工作,南海海域属于深水区,振荡浮子波能发电装置更能较好地适应。文章在已有资料的基础上,根据线性波浪理论中随机波浪力的理论,结合南海海况,计算振荡浮子垂直方向的波浪力分布,再用ＡＱＷＡ 模拟计算不同形状的浮子在随机波浪力下的运动与受力分析。综合以上研究得出适合南海海况的浮子形状,完成装置的初步优化,为装置的海试以及推广应用提供依据,为三沙市在海洋能（波浪能）利用方面提供参考。     

基于VOF模型的浮式消波海流机性能优化

针对浮式消波海流机样机测试时出现的问题,对其吃水深度线和叶片安装角度进行优化。根据装置结构特点,用Gambit建立了装置横截面的二维网格模型。根据浮式消波海流机实际工作环境,利用Fluent流体仿真软件,使用VOF(volume of fluid)两相流模型,分配空气相与液态水相在流域中的不同比例,来确定不同的吃水深度线。并且结合k-epsilon紊流模型建立模拟仿真环境。先对3种水线进行仿真分析,然后进行实验验证。通过分析对比装置的3种不同吃水深度线的模拟与实验结果,得到装置的最优吃水深度线为1/3水线。基于最优吃水深度线,分别对叶片的4种安装角度在相同的仿真环境中进行模拟仿真。利用仿真得到的扭矩数据,计算扭矩系数、功率系数,分析对比仿真数据以及仿真过程中扭矩趋势图得出4种叶片安装角度的最优角度是90°。吃水深度线决定了装置的消波能力,并且为叶片获能提供条件,叶片安装角度直接影响着装置的获能效率,所以最优的吃水深度线和叶片安装角度对海流机的消波能力和获能效率具有重要意义。     

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。     

点吸收式波浪能俘获装置结构优化方法研究

根据布设海域波浪能资源特征,对点吸收式波浪能装置结构进行优化,可有效提高装置的能量俘获效率。本文以威海褚岛北部海域为装置布设目标海域,在对该海域波浪资源特征进行统计分析的基础上,计算得到装置的直径,同时利用数值软件计算出多组工况下点吸收装置吃水深度和装置固有周期的对应关系,并利用统计学方法得出装置固有周期随吃水深度的变化规律,进而分析得出装置在该海域的最佳设计吃水深度,为点吸收波浪能装置结构优化设计提供了新的思路。该方法对于其他技术类型波浪能装置的结构优化设计同样具有借鉴意义。     

三沙近海海域灾害性海浪数值推算

以南海２０年再分析风场作为驱动场,采用波浪模式ＷＡＶＥＷＡＴＣＨ-ＩＩＩ对南海１９８６—２００５年波浪进行了数值模拟。通过波浪模拟结果与Ｔ／Ｐ高度计波浪资料和台风浪观测资料的对比验证,表明本文波浪计算结果较好。利用模拟结果对三沙海域波浪进行了统计分析,发现三沙海域年平均波浪方向以ＮＥ 向为主。选取中沙群岛近海点进行重现期推算,发现其百年一遇有效波高可达到１６．２ｍ,百年一遇平均周期可达到１６．７ｓ。海区波浪较大,对灾害性海浪的预警和风险评估不可忽视。     

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。     

摆式波浪能发电装置水动力学研究

对实际工程中的浮力摆式波浪能发电装置进行水动力学研究和优化设计,得到提升波浪能发电能力的方法。首先建立波浪能水动力性能的评估体系,其核心是估算浮力摆波浪能发电装置俘获效率,其中波浪输运能量根据实际海况条件,利用随机波浪理论进行估算,浮力摆俘获能量估算则根据水动力学模型时域计算结果;然后依据建立的水动力性能评估体系,以浮力摆摆板宽度和后端负载为变量进行优化设计,总结了提高波浪能俘获能力的方法,即增大浮力摆宽度,并相应提高匹配负载;最后分析了两套浮力摆的交互作用,计算结果表明,如果将两套设备俘获能量通入同一组蓄能装置中,输入能量更加平稳,即利用浮力摆俘获波浪能的相位差,可以显著提升波浪能发电装置的发电能力。     

一种浮摆式波能发电装置摆板运动响应的数值模拟

海况是影响波浪能发电装置运行效率的因素之一。以浮摆式波能发电装置为基础,描述了其中摆板系统的收集原理;并基于AQWA(advanced quantitive wave analysis)水动力学计算软件,仿真计算了三种波况下各摆板的运动响应,发现波向为45°角是摆板系统的最佳运行角度;当波高不超过0.6 m时,摆板的运动状态较易趋于平衡。另外,提出了一种估算摆板采集波能的平均转换效率的方法,并基于相关拟合函数软件,计算了5种较理想波况下摆板采集波能的平均能量转换效率,结果发现,波浪的周期和波高越大,摆板的波能采集效率越低。     

斜向波对台阶地形上有限吃水半无限长弹性板的散射作用

基于线性势流理论和欧拉-伯努利梁理论,采用匹配特征函数展开法建立斜向波对台阶地形上有限吃水半无限长弹性板散射的解析解。与以往研究不同,本文同时考虑波浪入射角度、弹性板吃水、三种不同板端条件（自由板端、简支板端、固定板端）以及海底地形的影响。本文还直接将板端条件引入匹配边界条件,建立线性方程组求解速度势中的展开系数,计算过程简单、高效。计算结果表明：本文方法收敛性好,并满足能量守恒方程。将本文计算结果与文献中的特例结果进行对比,吻合良好。分析了波浪入射角度、弹性板吃水、不同板端条件以及海底地形对弹性板水动力参数的影响,研究结果可以为工程设计提供参考。     

Kelvin尾迹SAR图像仿真研究

一方面利用Kelvin尾迹水动力模型,通过对同一吃水深度(4 m)、不同船速(1-20 m/s)下的Kelvin尾迹波的仿真,提出了此模型适用的船只航行速度范围以及随着船速的变化,Kelvin尾迹波的变化情况。另一方面结合海表面波模型和雷达后向散射模型,比较同一船速、不同吃水深度(4 m、6 m和8 m)下的SAR仿真图像。结果表明,仅考虑Kelvin尾迹水动力模型时,当吃水深度不变时,在一定速度范围内,随船速的增大,Kelvin尾迹的横波波长逐渐增大,尖波变的逐渐清晰,超出此范围,Kelvin尾迹水动力模型就不再适用了;当同时考虑3种模型时,不同吃水深度下,在一定速度范围内,同一船速所仿真出的Kelvin尾迹SAR图像是不一样的,随着吃水深度的加深,Kelvin尾迹横波也随之清晰,超出此速度范围则无法看到横波。     

使用姿态传感器时动吃水改正问题探讨

根据测深中心深度计算公式,提出了动吃水改正直接采用测深换能器动吃水所存在的问题,详细论证了姿态传感器与测深换能器偏心安装时,采用姿态传感器处的动吃水和静态吃水变化推算测深中心吃水的必要性,给出了动态吃水改正的具体建议.     

底铰摆式波浪能转换装置实验研究

海洋波浪能的开发利用对解决当今社会环境压力、能源危机具有重要的现实意义。通过对一种底部铰接摆式波浪能转换装置的实验,研究装置不同能量转换阶段的效率特点。以电阻负载作为摆板波浪能转换的载体,代替常规动力负载阻尼进行能量吸收;以测量传动链条拉力和位移代替常规测量转轴扭矩和角度计算波浪能功率吸收,并给出由电阻负载换算为动力负载阻尼的公式。结果显示,以电阻为波浪能吸收的负载载体简单有效;摆式波浪能转换装置的一次转换效率较高,中间转换效率相对较低,因此总转换效率表现不是太高。     

湛江港污损生物挂板试验

１９９１年４月至１９９２年３月在湛江港内的试验浮筏上进行了污损生物周年挂板调查。共记录５９种生物。优势种是浒苔Ｅｎｔｅｒｍｏｒｐｈａｓｐ．和网纹藤壶Ｂａｌａｎｕｓｒｅｔｉｃｕｌａｔｕｓ。表层月板附着量变化幅度１０．０—２５０．０ｇ·ｍ－２，底层月板附着量变化幅度为３．０—５６８０．５ｇ·ｍ－２，年板全年附着量为２２３４７·１ｇ·ｍ－２。     

黄、东海陆架区悬浮体输运的时空变化规律

利用ＮＯＡＡ卫星１９９５年１月－１９９７年２月的海洋遥感资料系统的分析和研究了黄、东海陆架区悬浮体向深海输运的时间和空间变化规律,并对其动力机制进行了分析和探讨,研究结果表明,黄、东海悬浮体在１１－３月份向外海输运阶段,５－９月份则同近海为内储阶段,４月份为输变退的月份,１０月份则是退变输的月份,其中３月份黄、东海悬浮体向东海深海输运得最远,９月份则向岸退得最远;黄、东海表面悬浮体向东海的输运范围一般皆位于１００ｍ等深线以内,并很难越过黑潮水系,而输向深海的悬浮体又大都在黄海暖流的作用下回输黄海,其大部输向韩国西南海域。     

摆式波浪发电装置一级转化效率模型试验研究

一级转换装置是一个波浪能发电装置中的关键技术,而如何提高能量转化效率,是一级转换过程研究的重点问题。为确定一级转换装置的能量转化效率与哪些因素有关,对摆式波浪能发电装置的摆板机构进行了模型试验研究,测试了摆板模型在多种波浪条件下的动力响应参数,确定了摆板的动力输出特性及其控制因素;测试了在极限波浪作用下,摆板模型装置的受力状况。通过试验,为摆式波浪能发电装置的设计提供了必要的参考依据。     

经略２１世纪海上丝路之海洋环境特征：极值风速和极值波高

极值风速和极值波高是海洋工程、海洋能开发、防灾减灾等极为关注要素。文章基于来自欧洲中期天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）的ＥＲＡ－ｉｎｔｅｒｉｍ 海浪再分析资料、ＥＲＡ 阵风资料,计算了“２１世纪海上丝绸之路”涉及海域的年极值风速、极值波高,并首次计算了不同季节的极值。结果表明：①南海的５０年一遇年极值风速大于孟加拉湾,孟加拉湾大于阿拉伯海;极值波高的分布特征与极值风速大体一致。②南海的极值风速在各个季节都大于孟加拉湾,孟加拉湾大于阿拉伯海;南海－ 北印度洋的极值风速在ＪＪＡ 和ＳＯＮ 期间明显大于ＭＡＭ 期间,ＤＪＦ期间最小。③南海各个季节的极值波高都大于北印度洋,阿拉伯海的极值波高在ＭＡＭ和ＪＪＡ 期间明显大于孟加拉湾;南海的极值波高在ＪＪＡ 和ＳＯＮ 期间明显大于ＭＡＭ 和ＤＪＦ期间;北印度洋的极值波高在ＪＪＡ 期间最大,ＭＡＭ 次之,ＤＪＦ最小。     

远距离声学相关（ACCP）海流剖面仪（S．E．Bradly与S．Y．Kuo）

远距离声学相关海流剖面仪（ＡＣＣＰ）已研制成功，并进行了试验。试验结果表明，已成功地测得近１２００ｍ水深处的海流剖面，而记录到的海底回波信号深度达５０００ｍ，ＡＣＣＰ海流剖面仪与ＡＤＣＰ多普勒海流仪的测量结果一致，同时也符合信噪比和方差的理论预期值。     

立管-水平板结构消浪特性试验研究

在现有的矩形方箱和透空结构的基础上，提出一种由立管和水平板组合而成的消浪结构。利用波浪水槽物理模型试验，测试该结构在单向规则波作用下的消浪性能。分别探讨了其单排布置和双排布置时的透射系数随结构宽度、相对吃水深 度、相对间距等因素的变化规律。结果表明：单排布置时，透射系数随结构宽度的增大而减小，总体上随吃水深度的增大而减小；双排布置时，透射系数相对总宽度相同的单体结构减少 10 %，透射系数随吃水深度的增大而减小，前后间距对透射系数的影响不明显。对试验结果数据进行曲线拟合，得到了透射系数关于各影响因素的函数表达式。     

浅海声信道“时域衰落”特性研究

研究了浅海声信道“时域衰落”与海况、波高、中心频率和作用距离的关系。结果表明：在相同海况下,波浪愈高,振幅起伏愈明显;在同样作用距离、深度下,中心频率２０ｋＨｚ是信道较好的传播频率,其振幅起伏小,自相关时间较长;在该声道中,作用距离在２０００─２５００ｍ处振幅起伏最大。     

相交圆柱摆式波能装置俘获效率数值分析

摆式波能装置具有结构简单和转化效率高等特点,本文应用AQWA 软件基于势流理论对相交圆柱摆式波能装置进行了数值模拟研究,分析了轴间距比、结构阻尼、净浮力比、水深、波浪特性及吃水深度等主要参数对相交圆柱摆式波能装置俘获效率的影响,并与直板摆式波能装置的俘获效率进行了对比。结果表明：同样条件下,相交圆柱摆式波能装置往往比直板摆式波能装置的俘获效率更高;在研究范围内,轴间距比越大俘获效率越高;潮汐导致的水深变化对底铰摆式波能装置的俘获效率具有明显的影响,在工程应用中应采取适当的措施进行处理。