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。     

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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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%。     

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。     

锥形振荡浮子入水冲击问题的数值模拟研究

锥形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。基于Fluent软件对锥形浮子的入水冲击过程进行了模拟仿真,研究了具有不同斜升角的锥体在入水冲击过程中所受的冲击压强、冲击载荷、冲击速度的时空变化规律,以及各冲击参数之间的关系。结果发现:(1)锥形浮子在入水瞬间的毫秒量级时间内受到极大的冲击压强和冲击载荷;(2)最大压强出现在锥顶点处,且锥顶点压强和锥表面压强之间的差距随着入水深度的增加而逐渐减小;(3)锥顶点压强峰值早于冲击载荷峰值而出现,并且两者之间的时间间隔随着锥体斜升角的增加而增大;(4)其他条件不变时,斜升角越小的锥体其所受的入水冲击越大。     

Numerical Study on Air Turbines with Enhanced Techniques for OWC Wave Energy Conversion

In recent years, the oscillating water column (OWC) wave energy converter, which can capture wave energy from the ocean, has been widely applied all over the world. As the essential part of the OWC system, the impulse and Wells turbines are capable of converting the low pressure pneumatic energy into the mechanical shaft power. As an enhanced technique, the design of endplate or ring attached to the blade tip is investigated numerically in this paper. 3D numerical models based on a CFD-software FLUENT 12.0 are established and validated by the corresponding experimental results from the reports of Setoguchi et al. (2004) and Takao et al. (2001). Then the flow fields and non-dimensional evaluating coefficients are calculated and analyzed under steady conditions. Results show that the efficiency of impulse turbine with ring can reach up to 0.49 when φ=1, which is 4% higher than that in the cases for the endplate-type and the original one. And the ring-type Wells turbine with fixed guide vanes shows the best performance with the maximal efficiency of 0.55, which is 22% higher than that of the original one. In addition, the quasi-steady analysis is used to calculate the mean efficiency and output-work of a wave cycle under sinusoidal flow condition. Taking all together, this study provides support for structural optimization of impulse turbine and Wells turbine in the future.     

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.     

Self-Starting Analysis of an OWC Axial Impulse Turbine in Constant Flows: Experimental and Numerical Studies

In recent times, self-rectifying axial-flow air turbines are being widely employed in oscillating water column (OWC) wave energy converters (WEC). The steady performance of air turbines has been systematically investigated in previous studies. However, there still exists a lack of information on their unsteady performance, such as in the self-starting characteristics and subsequent running behavior. In this study, the unsteady behavior of impulse turbine under various constant-flow conditions is investigated. Experimental studies were conducted to investigate the effects of constant-load on the variations in the rotation speed, the pressure drop and the torque output of the turbine starting from rest. A fully passive flow-driving numerical model is employed for further detailed analysis of the flow and pressure fields. Followed by a well-agreed validation using the corresponding experimental data, the three dimensional (3D) transient model is used to study the effects of the air-flow velocity magnitude and the rotors’ moment of inertia on the self-starting performance of the turbine. Except for the variations in the rotation speed, the pressure drop and the pneumatic torque, the distributions of the flow-field and the pressure over the blades at specific time-points are analyzed.     

非定常条件下OWC径向透平冲击式动叶片优化研究

为优化径向透平动叶片的结构型式,有效提高透平工作效率,本文基于Ansys-Fluent软件构建振荡水柱波能发电装置径向冲击式透平的三维瞬态全流域数值模型,通过改变透平动叶片吸力面型式,研究了正弦往复入射气流条件下动叶片厚度差异对透平扭矩、压强等参量的影响及其对透平输入系数、扭矩系数和周期平均效率等非定常性能评价参数的影响。在保证压力面型式不变情况下,研究了5种动叶片厚度分别为7 mm、13 mm、16 mm、19 mm和22 mm的透平在呼气、吸气阶段的非定常工作性能,结果表明：不同动叶片厚度的透平的非定常工作性能存在较大差异,动叶片厚度为13 mm的透平非定常工作性能最优,最大峰值效率可达47.7%。     

后弯管式波力发电装置气室结构的试验研究

后弯管式波力发电装置作为一种漂浮式振荡水柱式装置,具有可靠性强、安装维护方便、工作地点灵活的特点。本文在前人研究基础上,以10kW级后弯管式漂浮型发电装置为研究对象,以装置的水动力学性能为主要研究内容,以气室内相对波高作为主要表征参数,通过断面水槽水工物理模型试验,考察了气室内水柱振荡幅度与入射波波高和入射波周期之间的关系,分析了气室完全开敞、输气管添加负载以及弯管横管长度对气室内水柱振荡的影响,为进一步的大功率装置设计与试验提供了理论依据。     

OWC装置空气透平压降作用试验研究

空气透平的压降作用及由其带来的空气流速变化,是串联2次能量转换过程、实现两转换过程耦合的核心要素.试验主要是在物理模型的基础上,对带有冲击式透平的OWC装置能量转换影响因素进行研究.试验主要考察2次能量转换耦合作用下,气室内自由水面变换、气室内压强变化、输气管内空气流速变换及三者耦合与相互作用.