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。     

铰接柱式波能转换装置的水动力分析

铰接柱式波能转换装置是一种新型的波能转换装置,本文为该装置提出了一个合理而又便于计算的水动力学模型,并采用三维源分布法对该装置进行了水动力分析,通过与该装置的模型试验结果的比较,显示出所得的计算结果是令人满意的。     

鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率研究

为了更加切合实际地研究鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率,考虑了鸭式装置可绕定轴转动以及装置的附加质量和附加阻尼,以ANSYS14.0软件为平台建立二维数值波浪水槽,对装置在不同波浪条件作用下的受力情况与运动情况进行了数值模拟与分析。结果表明:(1)在相同波高条件下,随着波浪周期的增大,装置受到的水动力力矩增大,转换效率下降,转换效率最高可达到70%;(2)在相同周期条件下,随着波高的增大,鸭式装置受到的水动力力矩也随之增加,波浪在经过装置后波高会发生衰减;(3)装置转换效率总体可维持在70%左右,但由于波峰到达装置时会有部分波浪从其顶部越过,随着波浪波高增大转换效率缓慢下降。为该装置的实际应用提供理论支持。     

岸式波力发电装置水动力性能试验研究

通过模型试验研究,得到海岸岸坡、气室宽度与频率响应和吸能效率之间的关系和规律,验证了一种理论计算方法的可靠性,证明该计算方法对波能电站的设计和工程选址有一定的参考价值。     

底铰摇板式波浪能装置水动力性能解析研究

对底铰摇板式波浪能装置的水动力性能进行了解析研究,基于受约束浮体线性化运动方程,获得小幅线性波作用下装置动力响应和转换性能的解析解;采用解析解计算分析了水深、厚度、密度和PTO阻尼值四个参数选取对装置转换性能的影响.研究结果表明,底铰摇板式波浪能装置具有较宽的频率响应范围;在低频区,水深较大时装置俘获效率较高,而在高频区,水深较小时装置俘获效率较高;系统性能受摇板厚度的影响非常小;密度较小的摇板在高频区性能较好,而密度较大的摇板在低频区性能较好;设置恒定PTO阻尼的情况下,装置性能受FTO阻尼值影响显著,当FTO阻尼取低频辐射阻尼时,装置的俘获效率与满足阻尼匹配条件的情况基本相同;当采用的PTO阻尼与低频辐射阻尼值差别较大时,系统的俘获效率显著降低.     

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。     

沉箱基础对摇板式波浪能装置水动力性能影响研究

摇板式波浪能转换装置具有频率响应范围广、可靠性好、常规海况下转换效率高、建造成本低等优点。基于势流理论建立具有沉箱基础的摇板式波浪能装置水动力性能的解析解。将解析结果与文献中已有结果和边界元数值结果进行了对比,验证了解析解求解过程的正确性。通过算例分析,研究了波浪入射频率、沉箱基础高度、沉箱基础宽度、摇板位置、摇板厚度和摇板密度对装置能量俘获效率的影响。研究结果表明：采用合适高度的沉箱基础能显著提升装置性能;长波海况下,摇板铰接在沉箱基础背浪侧上表面时装置性能更佳,而短波海况下,摇板铰接在沉箱基础迎浪侧上表面更为合理;沉箱基础宽度的推荐值为0.5到1.0倍水深;适当减小摇板厚度能够提升装置性能;应优先选用密度较大的摇板。     

用于振荡水柱波能系统的径流式空气透平数值模拟研究

径流式空气透平是振荡水柱式波能发电系统的二级能量转换装置,因其具有结构简单、输出扭矩大、轴向推力小的优势,得到了越来越多的关注。采用计算流体力学软件Ansys-Fluent 12.0,通过数值模拟方法考察了不同转子叶片稠度对径流式空气透平定常无量纲评价参数的影响规律。研究结果表明:虽然径流式透平可在双向气流下实现单向旋转,但当气流通过方向不同时,透平的定常工作性能存在明显差异,这与传统轴流式透平完全不同;此外,稠度对透平效率的影响在不同流量系数范围内也不同。因此,综合考虑气流流向、透平整个工作范围内输出效率,推荐采用的转子叶片稠度为2.34。     

Numerical study of the motions and drift force of a floating OWC device

The motion and the drift force of a floating OWC (oscillating water column) wave energy device in regular waves are studied taking account of the oscillating surface-pressure due to the pressure drop across the duct of the air chamber. The potential problem inside the chamber is formulated by making use of the Green integral equation associated with the Rankine-type Green function while the outer problem with the Kelvin-type Green function. The added mass, wave damping and excitation coefficients as well as the motion and drift force of the OWC device are calculated for various values of parameter related to the pressure drop.     

Analysis of Wells turbine design parameters by numerical simulation of the OWC performance

This paper investigates by numerical simulation the influence of the Wells turbine aerodynamic design on the overall plant performance, as affected by the turbine peak efficiency and the range of flow rates within which the turbine can operate efficiently. The problem of matching the turbine to an oscillating water column (OWC) is illustrated by taking the wave climate and the OWC of the Azores power converter. The study was performed using a time-domain mathematical model based on linear water wave theory and on model experiments in a wave tank. Results are presented of numerical simulations considering several aerodynamic designs of the Wells turbine, with and without guide vanes, and with the use of a bypass pressure-relief valve.     

Effects of Rotor Solidity on the Performance of Impulse Turbine for OWC Wave Energy Converter

Impulse turbine, working as a typical self-rectifying turbine, is recently utilized for the oscillating water column (OWC) wave energy converters, which can rotate in the same direction under the bi-directional air flows. A numerical model established in Fluent is validated by the corresponding experimental results. The flow fields, pressure distribution and dimensionless evaluating coefficients can be calculated and analyzed. Effects of the rotor solidity varying with the change of blade number are investigated and the suitable solidity value is recommended for different flow coefficients.     

波浪与起伏水平板防波堤相互作用数值模拟

利用自主研发的基于紧致插值曲线CIP(constrained interpolation profile)方法的数学模型,开展规则波与起伏水平板防波堤相互作用的数值模拟研究。模型在笛卡尔直角坐标下建立,以CIP方法为流场基本求解器,分步求解Navier-Stokes方程,利用高精度的流体体积类型的THINC/SW (tangent of hyperbola for interface capturing with slope weighting)方法重构自由液面,采用浸入边界IBM(immersed boundary method)方法处理波浪与起伏板防波堤的耦合作用问题,通过动量源项造波方法模拟波浪的产生。重点关注波浪的浅水变形和板两端涡旋脱落的非线性现象,分析不同潜深、波要素下的板周围流场分布、板的运动响应和波浪的反透射系数。结果表明:起伏水平板主要通过能量反射、板上浅水变形和板两端的涡脱落消能,能有效减小板后波高,具有作为防波堤的可行性。     

Hydrodynamic performance of a pile-supported OWC breakwater: An analytical study

A pile-supported OWC breakwater is a novel marine structure in which an oscillating water column (OWC) is integrated into a pile-supported breakwater, with a dual function: generating carbon-free energy and providing shelter for port activities by limiting wave transmission. In this work we investigate the hydrodynamics of this novel structure by means of an analytical model based on linear wave theory and matched eigenfunction expansion method. A local increase in the back-wall draft is adopted as an effective strategy to enhance wave power extraction and reduce wave transmission. The effects of chamber breadth, wall draft and air chamber volume on the hydrodynamic performance are examined in detail. We find that optimizing power take-off (PTO) damping for maximum power leads to both satisfactory power extraction and wave transmission, whereas optimizing for minimum wave transmission penalizes power extraction excessively; the former is, therefore, preferable. An appropriate large enough air chamber volume can enhance the bandwidth of high extraction efficiency through the air compressibility effect, with minimum repercussions for wave transmission. Meanwhile, the air chamber volume is found to be not large enough for the air compressibility effect to be relevant at engineering scales. Finally, a two-level practical optimization strategy on PTO damping is adopted. We prove that this strategy yields similar wave power extraction and wave transmission as the ideal optimization approach.     

新型浮式防波堤水动力性能数值研究

针对设计的新型双浮筒+Savinious型(S型)桨叶浮式防波堤的结构形式,基于势波理论和结构耦合水动力分析理论,利用面元积分和Newmark-β时间步进格式进行计算,研究其在线性规则波作用下的消波性能、运动响应和系泊张力响应,验证该结构的合理性。数值计算结果表明,阻尼修正后的防波堤纵摇运动响应合理,在波高H=1.5 m、波浪周期T=3 s下其消浪性能较为理想,透射系数达到0.65,同时系泊线张力呈周期响应并满足最大破断力的条件。此外,还研究了浮筒相对间距S1/L,浮筒—桨叶相对间距S2/L以及Savinious型桨叶高径比d/h三个无量纲关键几何参数对防波堤透射系数Ct和系泊线时域张力响应的影响。计算结果表明,浮筒间距S1越接近波长,防波堤消波性能越好,但迎浪侧张力响应幅值越大;随着浮筒—桨叶相对间距S2/L由0趋近于1,其透射系数随之减小,但迎浪侧张力响应幅值基本保持不变;减小桨叶的高径比d/h可以提高防波堤消波性能的稳定性,但张力响应幅值随之增大。     

集成波能转换功能的方箱—挡浪板式浮式防波堤水动力特性研究

浮式防波堤与振荡浮子式波浪能转换装置集成是一种较为合理的波浪能开发利用方式,基于方箱式浮式防波堤—波浪能转换集成系统和幕帘式防波堤的研究成果,提出了一种新型方箱—垂直挡浪板式浮式防波堤—波浪能转换集成系统,建立数学模型对该集成系统的水动力特性和能量输出特性进行研究。模型基于N-S方程,采用紧致插值曲线(CIP)方法结合浸没边界法(IBM)求解。运用数值模型探究在一定波浪条件下,动力输出系统(PTO)阻尼力的大小以及挡浪板对集成系统的水动力特性和能量转换特性的影响,得到如下结论:集成系统的俘获宽度比随PTO阻尼力的增大呈现先增大后减小的趋势,在阻尼力F_(PTO)=150 N时达到最大;相对于方箱型集成系统,增设0.1 m挡浪板后可使其最大俘获宽度比η_e提高33%左右;此外,集成系统的俘获宽度比随挡浪板长度增加而增大,增长趋势逐渐变缓,在挡浪板长度S_p=0.5 m时达到最大,此时俘获宽度比η_e=0.563 1。     

双筒双板式浮式防波堤消浪性能研究

浮式防波堤具有对海洋环境友好、施工方便、造价受水深影响小等优点,在海岸工程领域有广阔的应用前景。但受消波效果不稳定、结构易破坏且对锚泊系统要求高等因素的影响,浮式防波堤在实际工程应用中面临较大的挑战。本文采用物理模型试验以及基于OpenFoam的数值模拟方法,对一种由双浮筒、双竖板与水平连接板组成的新型浮式防波堤结构进行消浪性能研究。讨论波浪要素、相对竖板高度、相对水平连接板宽度等因素对双筒双板式浮式防波堤（DCDPFB）消浪性能的影响,分析其周围形成的局部涡量与速度场变化,确定相对最优的结构尺寸。结果表明,相对水平连接板宽度、相对竖板高度和半圆柱体尺寸是影响DCDPFB消浪性能的关键因素;波高与入水深度对透射系数的影响较小;DCDPFB周围形成的局部涡量与速度场变化是耗散波浪能量的重要因素;按照相对最优结构尺寸建造的DCDPFB试验段,在海上原型试验中表现出良好的消波性能。