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。     

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。     

振荡水柱波能装置冲击式空气透平优化数值模拟研究

冲击式空气透平是振荡水柱式波能发电装置的二级能量转换装置,具有自启动性能好、在大流量系数区保持较高效率等优势,近年来应用越来越广泛.有学者提出在冲击式透平动叶片尖端安装环结构的设计,可以改善动叶片叶尖间隙处的气流流动形态,提高透平的工作性能.依托于此观点,构建了安装有环结构的冲击式透平的三维定常数值模型,并通过网格数量...     

Experimental hydrodynamic investigation of a fixed offshore Oscillating Water Column device

Oscillating Water Column (OWC) is one of the pioneer devices in harnessing wave energy; however, it is not fully commercialized perhaps due to the complicated hydrodynamic behavior. Previous studies are significantly devoted to OWC devices located in nearshore and coastal regions where incident wave energy would experience dissipation more than offshore. In this paper, a 1:15 scaled fixed offshore OWC model is tested in a large towing tank of National Iranian Marine Laboratory. Wave spectrum shape effect on the efficiency of the OWC model is addressed. Moreover, the paper investigates the effects of the geometric and hydrodynamic factors on OWC device efficiency and uncovers new points in nonlinear interaction occurring inside the chamber; i.e. sloshing. The results indicate that shape of the spectrum inside the chamber is affected by the type of incident wave spectrum, especially for long waves. Pierson–Moskowitz spectrum leaded to higher efficiency rather than JONSWAP spectrum at longer incident wave periods. According to efficiency analysis, increasing wave height may lead to air leakage from the chamber followed by vortex generation, which is a reason for decreasing the efficiency of the OWC device. Furthermore, no shift in the resonant period of the OWC model, due to wave height increase, was observed at the opening ratios equal or smaller than 1.28%. Spectral analysis of water fluctuation inside the OWC chamber illustrates two modes of sloshing. The first mode can be seen at short period waves while the second mode is visible at long period waves. The sloshing modes approximately vanish by increasing draft value.     

Hydrodynamic Performance of A Porous-Type Land-Fixed Oscillating Water Column Wave Energy Converter

A hybrid, porous breakwater-Oscillating Water Column(OWC) Wave Energy Converter(WEC) system is put forward and its hydrodynamic performance is investigated using the fully nonlinear, open-source computational fluid dynamics(CFD) model, OpenFOAM. The permeable structure is positioned at the weather side of the OWC device and adjoined to its front wall. A numerical modelling approach is employed in which the interstices within the porous structure are explicitly defined. This permits the flow fiel...     

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。     

基于可靠性分析的军械装备维修策略优化研究

维修是军械装备保持良好技术状态的重要手段,以可靠性为中心的维修策略优化研究一直受行业内专家的广泛关注。基于维修活动参与条件下的军械装备部件性能退化规律,研究维修对装备性能状态的影响,并通过定期维护条件下的装备失效过程分析,建立了定期维护装备维修策略模型。通过典型组件的维修实例分析,验证了模型的有效性。