振荡水柱式防波堤水动力及流场特性试验研究

发布时间：2020-05-15 06:45

【摘要】：广阔的海洋蕴含着丰富的波浪能资源。在化石能源日益枯竭,可再生能源发展迫在眉睫的背景下,如何有效地开发波浪能已成为相关学者关注的热点问题。振荡水柱(Oscillating Water Column,OWC)式波能转换装置因其结构简单、耐久性强等优点受到学者的长期青睐。但由于高昂的建设成本及有限的经济效益,现阶段OWC装置尚未得到大规模推广和使用。提升其经济性、提高其能量提取效率,对于OWC装置的发展具有重要意义。本文通过开展波浪水槽试验并采用粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术针对兼顾波能提取和波浪削减功能的OWC防波堤进行了试验研究。首先,通过开展波浪水槽试验,深入分析了入射波要素、动力输出装置(Power Take-Off,PTO)阻尼以及水位对于OWC防波堤水动力特性和能量转化特性的影响。随后,在波浪水槽试验的基础上采用PIV技术对波浪与OWC防波堤相互作用过程中的振荡流场进行了测量,量化分析了振荡流场特性,并对振荡流场特性与能量耗散问的关系进行了探讨。波浪水槽试验结果表明:40 cm水位下,相对气室宽度B/L大于0.080,PTO阻尼较小(顶板开孔率大于0.685%)时,OWC防波堤能够起到良好的消反射效果;40cm水位下,顶板开孔率在1.217%至1.902%范围内时,OWC防波堤具有较好的能量提取性能;其中,顶板开孔率1.217%对应的PTO阻尼参数能够使OWC防波堤的能量提取性能达到最佳。此外,波高的增加使OWC防波堤对入射波的反射作用增强,能量提取效率峰值降低;水位的升高使能量提取效率峰值降低,高效频域带宽变窄。PIV试验结果表明,试验工况范围内水体出流流速极值高于水体入流流速极值,流场中逆时针旋涡涡量极值高于顺时针旋涡涡量极值,流场中水体出流过程的剧烈程度高于水体入流过程的剧烈程度;PTO阻尼的降低使水体入流、出流流速极值增加,旋涡涡量极值增大,流场中能量耗散增加;水位的升高使水体入流、出流过程的剧烈程度增强,流场中能量耗散加剧。
【图文】：

波能转换装置,振荡水柱,运动构件,抗腐蚀能力

ＯＷＣ）式波能转换装置自概念提出以来便受到了人们的广泛关注，是目前公认逡逑的最具研究前景且研究投入力度最大的波能转换装置之一［１１］。ＯＷＣ装置基本结逡逑构如图１．２所示，通常采用向下开口的固定式或浮式结构，墙体与水面间形成充逡逑盈空气的气室结构，气室与大气连通处依次设置有空气透平和与空气透平相连的逡逑发电机组。在波浪循环作用下，水体通过气室下部开口周期性流入、流出气室，逡逑促使气室内水柱形成往复升降运动，驱动气室上方空气通过空气透平周期性流入、逡逑流出气室，推动空气透平转动，实现从波浪能到空气透平机械能的能量转化过程，，逡逑进而驱动发电机发电。逡逑动力输出装置逡逑气…逡逑气流往复流动逡逑＇邋气室墙体逡逑■邋＊逡逑￣￣—海床逡逑图１．２振荡水柱（ＯＷＣ）式波能转换装置结构示意图逡逑ＯＷＣ装置在波能转化过程中机械运动构件不与海水接触，抗腐蚀能力强，逡逑耐久性好；同时可适应复杂海况环境，对地形依赖较小。在中国、葡萄牙、英国、逡逑西班牙、意大利等国海域均已建成原型ｏｗｅ装置来进行实际海况试验［２］。但与逡逑传统能源相比，现阶段波浪能开发利用成本仍相对较高。由于高昂的建设成本及逡逑有限的经济效益

防波堤,振荡水柱,气室,设计方案

本文基于沉箱式防波堤设计方案将防波堤的内部结构设计成振荡水柱式波逡逑能转换装置的气室结构，实现传统海岸工程建筑物的复合功能性开发应用。本文逡逑试验模型如图２．１所示。模型为前墙底部开槽的无底板长方体结构，模型气室前逡逑墙底部开槽作为气室内水柱与外界水体的交换连通通道，模型整体依靠自身重力逡逑及背浪侧压载物保持稳定性，模型气室底端与水槽密闭连接。试验模型采用厚逡逑１２逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U656.2

【参考文献】