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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

并联式后弯管波力发电浮体模型性能试验研究

对并联式后弯管波力发电浮体模型的波能转换性能和锚泊力进行了试验研究。结果表明并联式后弯管浮体模型的最佳响应周期基本不变，各单元浮体性能略有差异，位于中间的单元浮体性能略低于两侧的浮体，波能转换性能随浮体数量增加而下降，多点系泊使并联式后弯管装置效率提高。并联式后弯管波力发电装置采用标准化单元设计，灵活组成不同装机容量的装置，将大大降低锚泊系统、海底电缆系统的费用。     

方型人工鱼礁水动力性能试验研究

人工鱼礁水动力性能的研究对于鱼礁的设计、礁区布局具有非常重要的意义。本研究设计2种方型人工鱼礁模型,在回流水槽中测量不同水流速度下的鱼礁阻力,并计算阻力系数(Cd)与雷诺数(Re)。结果表明:无盖礁体模型正面迎流时(θ=0(°)),当Re超过7.5×104时,Cd为1.64,其自动模型区域为Re>7.5×104;45(°)方向(θ=45(°))迎流时,当Re超过6.36×104时,Cd为1.3,其自动模型区域为Re>6.36×104。有盖礁体模型正面迎流时,当Re超过6×104时,Cd为1.69,其自动模型区域为Re>6×104;45(°)方向迎流时,当Re超过8.48×104时,Cd为1.43,其自动模型区域为Re>8.5×104。1种礁体模型在不同迎流方式下所受的阻力不同,45(°)方向迎流比正面迎流时的阻力大。在相同的迎流方式下,有盖礁体所受的阻力比无盖礁体大。     

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...     

前板可旋转的双垂板结构水动力特性的理论研究

振荡水柱波能转换装置的最大转换效率往往受到腔内水柱共振机制的直接影响。通过对装置的基本结构进行简化,提出了一种前墙可绕固定轴旋转的双垂板式结构系统,旨在通过前墙的旋转运动进一步加剧水柱的振荡,从而对腔内水柱的共振机制进行调节和控制。基于线性波理论,采用匹配特征函数展开法对波浪与双垂板结构的相互作用进行理论研究,针对流场在结构物尖角附近的奇异性特征,将公共界面上的速度分布基于切比雪夫多项式近似展开,并应用区域间的速度与压力连续条件进行求解。通过分析结构的几何参数对反射透射系数、平均波面高程、前墙旋转振幅以及前墙与水面间相位差的影响,深究其共振机理,为振荡水柱波能转换装置的效率优化机制提供理论依据。结果表明,在所研究的波浪频率范围内,前墙的自由旋转运动会加剧板间的平均波面高程,应用于波浪能转换装置中能进一步拓宽高效频率带宽。     

Analytical and experimental investigation on the hydrodynamic performance of onshore wave-power devices

The hydrodynamic performance of the oscillating water column type shoreline-mounted wave-power device is numerically studied within linear wave theory by using a boundary element method based on the Wehausen and Laitone 3D shallow water Green's function. In order to verify the numerical model, a 1:12 physical model with different bottom slopes was constructed and tested in a wave basin under regular wave conditions. The effects of the bottom slope on the hydrodynamic performance are investigated by both analytical and experimental methods.     

Model study of a shoreline wave-power system

A wave-power system which combines the concept of a breakwater and a harbor resonance chamber was developed in this study. In the caisson chamber, a multi-resonant oscillating water column (MOWC) was formed to push or suck air through the air turbine and thus continuously generated the power. The proposed wave-power system has two aims in mind: one is shore protection and the other is to extract energy from the ocean. To achieve an optimal effect of harbor resonance when excited by incident waves of various periods, a 60° opening of the cylindrical chamber with an entrance section and an arc-shaped curve board in front of the caisson was designed. In order to assess the energy-conversion efficiency and the hydraulic performance, a 1/20 model of this system was constructed and tested in the wave tank under various wave conditions. Our experimental data for the amplification factor of the MOWC agree well with previous theoretical results [Lee, J.J., 1971. Journal of Fluid Mechanics 45, 375–394]. The curve board proves to be useful: it not only broadens the resonant period but also increases the energy-extraction rate. The reflection coefficient was found to be generally low and to decrease with increasing wave height. However, due to the relatively high energy loss of the MOWC, only 28.5% of the incident-wave energy was converted into air energy, indicating that there are still areas for further improvement. In any event, the experimental results provided a clear picture of the energy-transformation process, and demonstrated the preliminary feasibility of this wave-energy device.     

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)。     

Model Test and Design of the Wave Energy System on "Central Fairway No. 1" Light Ship

This paper presents the test of a ship model for the design of a backward-bent duct oscillating water column type wave energy conversion system, to supply electric power for a light ship. This system suggests a new way to produce electric power automatically for large light ships.     

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。     

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。     

改进型中心管模型能量转换性能试验及样机设计

为了提高中心管振荡水柱波浪能利用技术能量转换效率,基于新的认识和目前常用的2.4米导航灯标,对中心管尾部设计了三种模型并在造波水槽中进行能量转换性能试验。试验结果表明:直管型中心管俘获宽度比最高达到了70.25%,但通频带宽度窄;加长喇叭口型中心管略好于喇叭口型中心管;在喷咀比为0.02条件下,加长喇叭口型中心管浮体有较高双峰俘获宽度比,波峰为40.0%,波谷为31.6%,通频带宽,为随机波下高效转换创造了条件。最高俘获宽度比和双峰通频带特性实验数据结果都优于历史文献值。根据试验数据对一些适合小型海洋仪器供电的样机进行了设计,设计的样机具有较高的性价比。     

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.