碟形越浪式波能发电装置的三维数值模拟

基于计算流体力学软件的三维数值模拟技术,分析了碟形越浪式波能发电装置的越浪性能,通过构建基于水气两相VOF(Volume of Fluid)模型的三维数值波浪水槽对该装置进行三维数值模拟研究,数值计算结果与物理试验结果相互对比验证较为吻合,验证了所构建的三维数值波浪水槽的可靠性,通过考察装置的坡度、导流叶片个数、干舷高度对越浪性能的影响确定装置的最优结构参数。结果表明,在装置的斜坡面边缘增加回流板可减少波浪的反射,提高装置的越浪性能。在数值模拟中将装置的斜坡面边缘处安装回流板对碟形越浪式波能发电装置参数进行优化,通过分析回流板的长度对装置越浪性能的影响来探索最优回流板长度。     

一种越浪式波能发电装置越浪量和波压力的试验研究

越浪式发电装置具有结构稳定、可靠性高等优点。在前人的研究基础上,对越浪式波能发电装置的模型进行了优化设计,通过模型实验研究了该波能发电装置在不同波况、不同干舷高度下对波能的俘获能力以及结构的受力情况。对越浪量的试验结果进行了无量纲分析,分别得出了越浪式模型装置的越浪量关于干舷高度和波高的指数函数拟合曲线,总结了两者对越浪量影响的普遍规律。通过对规则波和不规则波波浪作用下装置受力结果的归纳总结,探讨了波能装置波压力和浮托力变化的一般规律。本研究可为越浪式波能发电装置的研究提供参考依据,为波浪能的利用提供一定的参考价值。     

分层斜坡越浪式波能发电装置结构受力试验研究

分层斜坡越浪式波能发电装置作为一种重要的波能转换型式,在开发利用波浪能的同时,可与防波堤或护岸工程相结合,将海岸工程的被动消能变为主动吸能,提高综合效益。在实际工程应用中,分层斜坡越浪式发电装置引浪面在波浪荷载作用下的安全性成为首要问题,由于其引浪面与防波堤或护岸的护面对水体磨阻影响不同,因此水体对结构的作用力不同,已有的斜坡式防波堤所受波浪荷载的研究无法用于指导分层斜坡越浪式发电装置引浪面的结构强度设计。通过水工物理模型试验,对分层越浪装置引浪面在不同波况条件下的结构受力进行研究分析,获得越浪装置引浪面上点压力及波浪力的分布规律,为装置的结构设计提供理论指导及设计支持。     

碟形越浪式波能发电装置的系统研究

碟形越浪式波能发电装置是一种新型的波能发电装置,其利用蓄水池将不稳定的入射波能转换为稳定的淹没出流动能,势能转换为动能带动水轮机运转实现发电。该装置具有输出功率平稳、适应各种海况、可靠度好的的特点,对其进行深入研究,对于边远海域的岛屿经济开发、国防及海水淡化等具有十分重要的意义。     

孤立波低顶海堤越浪的数值模拟研究

灾害性波浪是中国沿海地区最具破坏性的自然灾害之一。采用开源程序OpenFOAM中interFoam求解器,对低顶海堤（在风暴潮和海平面上升情况下所面临的不利工况）的孤立波越浪特性开展数值模拟研究。通过孤立波冲击海堤的基准算例,验证模型在模拟波浪爬升和越浪过程中大变形波面以及剧烈波浪力方面的精度。基于验证的数值模型,对孤立波在低顶海堤上的越浪特征以及防浪墙高度对越浪的影响开展参数化研究。结果表明堤顶超高减小导致更为剧烈的越浪。针对尚无低顶海堤孤立波越浪量经验公式的问题,提出新的适用于堤顶超高小或为0的孤立波越浪量经验公式。此外,研究发现增加防浪墙高度可有效减少越浪,但防浪墙所受的波浪力也增大。综合考虑防浪墙减少越浪以及自身所受波浪力,针对文中研究采用的海堤截面和波浪条件,建议无量纲防浪墙高度取为1.00。     

斜向和多向不规则波对直立堤平均越浪量研究

通过三维波浪模型试验研究了斜向和多向不规则波对直立堤的越浪量。分别按平均越浪量和单波最大越浪量进行研究,探讨了平均越浪量随相对堤高、波浪方向、波浪方向分布宽度、波陡和相对水深等影响因素的变化规律,导得了斜向和多向不规则波作用于直立堤上的平均越浪量的计算公式。     

不规则波越浪率计算的一个新公式

对美国<海岸防护手册>(SPM)中估计不规则波浪下越浪率的计算公式作了分析并对其不足进行了改进,提出利用规则波越浪率来计算不规则波作用下越浪率的一个新的公式.认为当建筑物堤顶高程(从静水面算起)为零时,越浪率不仅与波高有关,波速也是一个重要的影响因素,SPM 法的假定不符合实际的工况,导致 SPM 法不是低估就是高估了越浪率的大小.通过数值模拟,将新改进的公式与 SPM 法、实验数据、以及经验公式作了对比,表明新公式是比较合理的,其计算结果可以作为工程设计的参考依据.     

斜向和多向不规则波在斜坡堤上的单波越浪量的实验研究

通过三维物理模型实验对斜坡堤上斜向和多向不规则波的单波越浪量进行了研究.实验考察了入射方向为0°~45°的斜向波和方向分布宽度为0°~25°的多向波以及混凝土和扭工字块体两种护面形式.在混凝土护面堤上用Weibull分布函数拟合了单波越浪量的累积频率分布,在影响因素不同的条件下确定了分布函数中的系数和越浪比例,给出了计算单波越浪量的公式,同时对扭工字块体护面堤上大约100个波中最大的单波越浪量进行了估算.     

不同掩护程度弧形胸墙波压力及越浪量试验研究

为了明确斜坡堤弧形胸墙越浪量及波压力的变化规律,采用波浪水槽试验测量了弧形胸墙的越浪量和波压力。试验从斜坡堤弧形胸墙前的掩护程度等因素入手对弧形胸墙的返浪效果及波压力进行初步研究,得出不同掩护程度弧形胸墙的越浪量及波压力,发现掩护程度越好,弧形胸墙所受波压力越小;半掩护情况下越浪量最小,为实际工程设计提供了依据。     

斜向和多向不规则波在斜坡堤上的平均越浪量的试验研究

通过三维物理模型试验研究了在斜坡堤上斜向和多向不规则波在非破碎条件下的平均越浪量与波浪参数及堤参数的关系.着重考察了波浪以小角度(0°~30°)斜向入射时平均越浪量的变化情况,肯定了多向波的越浪量在这一范围内有所谓“小角度斜向增加”的现象,但否定了单向波也具有这一现象.在考察波浪的方向分布影响时发现波浪斜向入射时多向波的越浪量往往要比单向波的大.比较了已有的相关研究成果,给出了适用于混凝土护面和扭工字块体护面斜坡堤上斜向和多向不规则波的平均越浪量的估算公式.     

Predictions on Irregular Wave run-up and Overtopping

A series of hydraulic model tests are carried out to investigate random wave run-up and overtopping on smooth, impermeable single slope and composite slope. Based on analysis of the influences of wave steepness, structure slope, incident wave angle, width of the berm and water depth on the berm and the wave run-up, empirical formulas for wave run-up on dike are proposed. Moreover, empirical formula on estimating the wave run-up on composite slope with multiple berms is presented for practical application of complex dike cross-section. The present study shows that the influence factors for wave overtopping are almost the same as those for wave run-up and the trend of the wave overtopping variation with main influence parameters is also similar to that for wave run-up. The trend of the wave overtopping discharge variations can be well described by two main factors, i.e. the wave run-up and the crest freeboard of the structure. A new prediction method for wave overtopping discharge is proposed for random waves. The proposed prediction formulas are applied to case study of over forty cases and the results show that the prediction methods are good enough for practical design purposes.     

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.     

Experimental Study on Mean Overtopping of Sloping Seawall Under Oblique Irregular Waves

In this paper, domestic and abroad research progresses and related calculation formulae of the mean overtopping discharge are summarized. Through integral physical model experiments, the relation between the wave direction and the overtopping discharge on the top of the sloping dike is focused on and put into analysis and discussion; and a modified formula for mean overtopping discharges under oblique irregular waves is proposed. The study shows that the mean overtopping discharge generally goes down as the relative wave obliquity β increases for a fixed measurement point and the mean overtopping discharge generally increases as the wave steepness H/L decreases (the cycle increases) for a fixed relative wave obliquity.     

一种新型波能发电装置的运动响应计算

为分析碟形越浪式波能发电装置初步设计方案的合理性和不足,应用三维势流理论和波浪的辐射-衍射理论,结合水动力分析软件AQWA,计算在规则波浪作用下装置浮体6个自由度上运动的响应幅值算子(RAOs),考虑不规则波浪、风、流载荷的共同作用,对装置在工作海况和恶劣海况下的运动响应进行数值模拟分析,得到其时间历程结果。结果表明:装置结构外形设计合理,装置在其锚链张力腿锚泊系统定位下,运动响应满足工作稳定性要求和安全性要求。     

Experimental Investigation on the Hydrodynamic Performance of A Wave Energy Converter

Wave energy is an important type of marine renewable energy. A wave energy converter (WEC) moored with two floating bodies was developed in the present study. To analyze the dynamic performance of the WEC, an experimental device was designed and tested in a tank. The experiment focused on the factors which impact the motion and energy conversion performance of the WEC. Dynamic performance was evaluated by the relative displacements and velocities of the oscillator and carrier which served as the floating bodies of WEC. Four factors were tested, i.e. wave height, wave period, power take-off (PTO) damping, and mass ratio (R_M) of the oscillator and carrier. Experimental results show that these factors greatly affect the energy conversion performance, especially when the wave period matches R_M and PTO damping. According to the results, we conclude that: (a) the maximization of the relative displacements and velocities leads to the maximization of the energy conversion efficiency; (b) the larger the wave height, the higher the energy conversion efficiency will be; (c) the relationships of energy conversion efficiency with wave period, PTO damping, and R_M are nonlinear, but the maximum efficiency is obtained when these three factors are optimally matched. Experimental results demonstrated that the energy conversion efficiency reached the peak at 28.62% when the wave height was 120 mm, wave period was 1.0 s, R_M was 0.21, and the PTO damping was corresponding to the resistance of 100 Ω.     

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。