浅浸没水平圆柱浮子波浪力计算研究

以海漂垃圾收集装置浮式围栏的圆柱浮子为研究对象,基于圆柱浮子的浅浸没特性,改进了Morison方程,并结合物理模型试验,对波浪与浅浸没水平圆柱浮子作用问题进行探讨。结果表明,改进的Morison方程可对水平圆柱浮子的波浪力做精确预测,并揭示了波幅、浸没深度以及周期对圆柱浮子波浪力的影响规律。对于浅浸没的圆柱浮子,所受水平波浪力随波高的增大而增大,随周期的增大而衰减到某一特定值。波浪力的正向大小分布要大于负向,而正负向大小的差异主要受浸没深度的影响。     

同轴双浮子波能装置水动力特性研究

本文对同轴双浮子波能发电装置进行了深入研究。采用Fortran语言对AQWA进行二次开发,并施以线性及非线性PTO反力,实现了装置的运动模拟,获得了双浮子装置的水动力特性及捕能情况。研究表明,波浪周期及内外浮子质量对装置获能影响显著,建议选用质量比为0.8的双浮子装置,并将其放置于周期与外浮子固有周期接近的海域中以实现最优捕能。     

一种与采油平台结合的新型波浪发电装置

本文基于前期对振荡浮子式波能发电装置的研究,提出一种与采油平台结合的新型波浪能发电装置,并采用水动力学软件Ansys-AQWA进行数值模拟,计算了不同波况条件下的发电装置受力与运动响应。分析发电装置稳定性和输出功率表明:在振荡浮子与采油平台导管架相结合的状态下,装置运行正常,平台稳定,波能利用率并未受到显著影响,初步验证了设计的可行性。通过频域计算,发现装置发电理想波频区间为1.2~2.0Hz;通过时域计算,发现浮子垂向平均最大位移、最大速度、最大加速度与波浪波高成正相关,垂向平均最大加速度与波浪周期成负相关,垂向平均最大波浪力与波浪周期成正相关,上述成果将为后续研究与试验提供一定的数据支持。     

点吸收式波浪能发电装置姿态特性分析

点吸收式波浪能发电装置是一种最简单的振荡体式波浪能发电装置, 但其安装成本高、生存能力较差。本文针对点吸收式波浪能发电装置的姿态稳定性问题, 开展了其在波浪作用下的运动姿态和发电功率之间的关系研究。首先介绍了点吸收波浪能发电装置的工作原理; 然后,根据我国南海海域的自然资源条件, 划定波况范围, 利用相似理论在实验室中模拟波浪参数,选定工况, 建立模型, 设计测量系统, 开展物理模型试验; 最后, 利用试验结果分析了发电装置的最佳发电周期、波高对装置发电功率的影响, 装置姿态对发电功率的影响等。本文为点吸收式波浪能发电装置设计及测试提供了参考。     

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。     

南海海况下振荡式波能发电装置的研究与分析

振荡浮子波浪能发电装置能量的转换效率较高,可以在不同水深条件（特别是超过４０ｍ 的深水区）下工作,南海海域属于深水区,振荡浮子波能发电装置更能较好地适应。文章在已有资料的基础上,根据线性波浪理论中随机波浪力的理论,结合南海海况,计算振荡浮子垂直方向的波浪力分布,再用ＡＱＷＡ 模拟计算不同形状的浮子在随机波浪力下的运动与受力分析。综合以上研究得出适合南海海况的浮子形状,完成装置的初步优化,为装置的海试以及推广应用提供依据,为三沙市在海洋能（波浪能）利用方面提供参考。     

振荡浮子波能发电装置浮子运动性能的试验研究

振荡浮子是当下波浪能发电装置中的一种典型形式,其能量俘获装置的设计及水动力学分析是波浪能开发利用技术中的一项关键技术。振荡浮子波能发电装置采用液压机构驱动发电机作为PTO系统,研究通过水工物理模型试验的方法,以浮子的水动力性能为主要内容,讨论了浮子在波浪场作用下的运动状态,以及考虑PTO后浮子的运动特性。通过两者对比,得出了振荡浮子在液压式非线性PTO作用下运动性能,为该类装置的实用化设计提供了参考依据。     

WEC-透空式防波堤集成装置能量转换效率研究

基于成本共享理念的波浪能发电装置(WEC)的开发与设计为降低建设成本提供了新的研究思路,应用计算流体力学方法对在透空箱式防波堤前附加垂荡浮子的集成装置进行数值模拟研究,主要研究了流体黏性和非线性PTO系统以及浮子形状对此类集成装置能量转换效率的影响。结果表明,此类集成装置可以获得较高的波能捕获宽度比(CWR),最高可达0.7,可以较好地利用反射波波能。共振区间上受黏性影响较大,相比于线性无黏理论解,CWR下降明显;实现了2种非线性PTO系统的模拟,有待于进一步的优化未获得更高的CWR值;浮子形状优化效果明显,采用圆底形浮子受黏性影响更小,可以获得更大的CWR值。此种集成模型的模拟和研究可以为新型防波堤设计和现有防波堤的改造提供思路和参考。     

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。     

点吸收式波浪能摩擦纳米发电系统输出性能的仿真研究

为了寻求低成本、结构简单、无污染、输出电压高的波浪能发电系统,本文提出了一种新型点吸收式波浪能摩擦纳米发电系统,该系统包括振荡浮子、具有纳米摩擦层的连杆套筒和固定在海底的支架。首先利用AQWA软件对该装置进行水动力仿真得出在波浪周期为5 s,不同波浪高度时浮子对应的振荡位移情况,然后进一步建立数学仿真模型,分析了垂直滑动摩擦纳米发电机的开路电压、转移电荷量、电流以及电容随位移和时间的关系,得到了外接不同负载时发电机的最大功率和最大功率对应的电压电流情况。通过数据分析发现:随着波浪高度和纳米摩擦层绝对摩擦位移的增加,电能输出稳定后的最优匹配电阻在109Ω左右,此时摩擦纳米发电机的发电性能最佳,对应波浪高度为0.5 m时最大发电功率为173.6 W。     

振荡浮子阵列间距的数值模拟

振荡浮子式波浪能发电装置是一类重要波浪能利用设备。但是这类设备的单体功率较低,为提高总输出功率,阵列式开始出现并成为研究热点。阵列式是指将若干浮子按照一定规则排列在海域中,通过整流设备将所获取的能量进行整合,统一发电并利用。文中介绍的研究其目的就在于研究浮子阵列的布置方式。在研究过程中利用CFD软件FLOW3D进行三维数值模拟,获得了浮子在实际波况条件下的波浪场分布情况。通过多属性决策方法确定优选排列型式,计算空间尺度,并进行验证。实验结果表明:在实验条件下后方浮子应排列在前方浮子正后方(行列应垂直布置),同排和同列相邻浮子优选间距为6.9m。     

带空气透平的后弯管浮式防波堤实验研究

针对海工作业平台、海洋养殖网箱等海洋装备的安全防护问题,提出了一种带空气透平的后弯管浮式防波堤,该空气透平既可将作用在防波堤上的波浪能转化成机械能并用于发电,还可显著减小防波堤的锚链力。在介绍了防波堤原理和结构特点的基础上,设计了物理实验模型,并在实验室造波池内进行了模型试验,研究了波浪周期、波高、吃水深度与弯管数量等因素对后弯管浮式防波堤透射系数和锚链力的影响规律。研究结果表明,波浪周期越短,波高越低,防波堤的透射系数越小,锚 链力越小,其消波性能优于传统的浮式防波堤.     

斋堂岛东南海域波浪特征及海浪谱分析

利用斋堂岛东南海域2013年至2014年的实测波浪资料,统计分析了本海域波浪特征,为波浪能资源评估提供基本波浪参数。统计结果表明,本海域年平均有效波高为0.60 m,最大波高为5.30 m,平均周期为3.3 s,最大周期为8.3 s,常浪向为E-SE向。本文亦讨论了本海域波高分布和波高与周期的关系,并基于JONSWAP谱谱型的基本结构,拟合得到适用于本海域的海浪谱谱型,可为海洋能发电装置的布设及相应的工程建设提供一定的参考。     

垂荡式波浪能装置运动模型数值分析

垂荡式波浪能装置在海洋可再生能源开发中被广泛应用,通过浮子与摇杆在垂荡方向的相对运动吸收波浪能。在以往相关的运动预报数值分析中,通常基于微幅波假设,仅考虑浮子与摇杆在垂荡方向的运动,忽略摇杆其他自由度运动。建立并求解了垂荡式波浪能装置的非线性联合运动方程组,分析垂荡式波浪能装置的波浪载荷、浮子与平台连接处的受力情况。数值计算系统的运动响应,并将计算结果与已有的试验数据进行比较验证,结果表明数值模拟的垂荡式波能装置的运动响应与试验结果相符合。最后,应用本计算方法分析PTO(power take-off)参数对波能装置发电性能的影响。     

波浪能发电平台系泊系统耦合动力响应及水动力分析

本文以一种新型波浪能发电平台为研究对象,分别采用基于三维势流理论的软件Sesam和基于有限体积法的Flow3D软件,对平台和发电浮子进行水动力分析。应用Sesam-HydroD模块计算了平台和发电浮子在频域内的运动响应,将平台和发电浮子的垂荡运动响应进行对比分析,结果表明,在正常海况下,平台与发电浮子垂荡运动相对幅值满足捕能系统的发电需求。应用Flow3D软件对平台整体进行水动力分析,结果表明,平台与发电浮子相对运动振幅在0.3～0.4m间,可满足发电需求。在此基础之上,应用Orcaflex软件,通过时域耦合动力分析的方法,计算了平台在自存工况和作业工况下的运动响应和系泊缆动张力响应,结果表明:在自存工况下,平台锚泊线的安全系数符合规范要求,平台具有良好的安全性能,能够适应恶劣的海洋环境;在作业工况下,平台的垂荡运动响应对波浪方向变化并不敏感,捕能系统不受波浪方向变化的影响,满足发电需求。另外,本文的研究结果能为类似的海洋平台的研究提供建议和参考。     

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。     

点吸收式波浪能发电技术的研究现状与展望

通过分析波浪能利用背景,提出点吸收式波浪能发电技术是波浪能开发利用的一种重要方式。以安装位置、能量传递方式和振荡浮子个数对点吸收式波浪能发电装置进行了分类。结合研究现状,对各类点吸收波浪能收集、转化和传递方法及其应用的优缺点进行了综合比较和分析。结果表明:安装于离岸10~25 m处,以多个振荡浮子组成的浮子阵列为能量摄取机构,以液压或直线电机为能量传递方式是目前点吸收波浪能发电技术的研究热点,在波浪能利用领域具有广阔的发展前景。     

实验室校准重力加速度式波浪浮标波高与波周期测量值的原理和方法

重力加速度式波浪浮标是目前对波浪进行长期定点观测的主要设备之一。文中论述了对重力加速度式波浪浮标波高与波周期测量值进行实验室校准的原理和方法,并举例说明校准程序及结果。带动波浪浮标旋转以模拟波浪的正弦运动的实验室校准装置,原理明确、结构简单、波浪特征值易复现和调整,模拟方式接近海浪理论要求,经实践应用证明其具有良好的计量性能。     

波浪能振荡浮子转换方式实验装置的研究与设计

针对阵列式振荡浮子波浪能转换设备,提出一种在实验室进行测试研究的实验装置。该实验装置由一组阵列柱形水槽组成,水槽液面在水动力系统的驱动下,按照计算机设定的函数做升降运动;对该装置模型——柱形阵列水槽的假设,依据波浪理论进行了论证;对装置的工作原理、结构设计、技术参数、控制电路和操作运行等做了较详细的说明;对实验装置实际运行和测试情况做了介绍。结果表明:该实验装置设计合理可行,模拟波浪高度,远高于现有的造波水池,构成了一种专用的模拟造波装置;该装置为不同形式振荡浮子式波浪能转换设备的研制提供了一种多功能、大振幅、高效灵活的实验平台。     

水槽试验浪成沙纹的特征及控制因素

在水槽中利用周期（１．０～１．９ｓ）、波高（８．６～１１．７ｃｍ）不同的规则波及波群塑造了沙纹。试验指出；１、沙纹的垂向形态指数及对称性指数符合标准浪成沙纹的相应值；２、沙纹的波长、波高、陡度与波浪水质点近底床水平运动方向的轨迹直径、波浪流的无量纲切应力、沉积物的活动性参数呈函数关系；３、沙纹的对称性与波浪的底部质量输移速率和水质点近底床的水平方向运动速率的比值有关。