复杂形状波力直线发电装置的优化

发布时间：2020-03-17 09:03

【摘要】：针对漂浮式波浪能转换装置的能量转换特性问题,以漂浮双浮体直线发电波浪能装置为研究对象,基于线性波理论和粘性阻尼理论,建立了复杂形状波能装置的双自由度受迫振动方程,推导了最佳弹簧和最佳阻尼下波能装置的最佳吸收功率函数表达式和相对位移幅值表达式;基于边界元方法的Hydro Star软件计算了复杂形状波能装置水动力学系数和波浪激励力。数值计算表明:在满足装置吸收最大功率的条件下,最佳弹簧系数在一定波况下出现了负值;在无弹簧的最佳阻尼条件下,装置的相对位移幅值小于波幅,波浪能功率和俘获宽度比在给定入射波周期范围内出现峰值。
【图文】：

罴炎枘嵯碌淖畲笪?收功率函数。本文把弹性系数和阻尼系数分别作为独立变量对功率函数求极值，最后得到优化后的波能装置吸取波浪能的功率表达式。利用HydroStar软件和Mathematica软件对非标准圆柱体的复杂波浪能装置建模、计算水动力学系数和波浪激励力，求解最佳阻尼、最佳弹簧和最佳功率。分析在一定入射波条件下，波能装置的幅值响应特性和能量吸收特性，并结合实际波况条件和在直线电机冲程范围内所能提供的阻尼条件下，给出波能装置优化设计措施。1波能装置双自由度运动数学模型所研究的漂浮直驱式波能装置如图1所示，水面浮体1为一圆柱锥形台状浮子，振荡浮子通过柔性绳与直线电机的动子部分连接，水下浮体2由圆柱形阻尼板和装有直线电机的中心管构成，直线发电机的线圈部分固定在中心管内，动子通过弹簧与阻尼板连接。在波浪作用下，水面浮体1与水下浮体2做相对运动使直线发电机的线圈做切割磁感线而发电。图1波能装置几何特征Fig．1Sketchofthewaveenergydevice设波能装置由电磁力提供一个粘性阻尼，阻尼系数为C，通过该阻尼波能装置吸收波浪能。装置的弹簧刚度为K。假设装置漂浮在不可压、流动无旋的波面上，在线性波作用下两浮体分别做微幅垂荡运动。在以上假设条件下，波能装置中的振荡浮子1在垂直方向上受重力M1g，浮力Ff1，静水回复力Fs1，，反电磁力Fgen(阻尼力)，弹性力Fk，振荡浮子1自身运动产生的垂向波浪辐射力Frz11，浮体2运动作用在浮体1上的垂向波浪辐射力Frz12，浮体1所受的垂向波浪力为Fez1，波能装置中的水下浮体2在垂直方向上受重力M2g，浮力Ff2，静水回复力Fs2，阻尼力Fgen，弹性力Fk，浮体2自身运动产生的垂向波浪辐射力Frz22，浮?

s1，反电磁力Fgen(阻尼力)，弹性力Fk，振荡浮子1自身运动产生的垂向波浪辐射力Frz11，浮体2运动作用在浮体1上的垂向波浪辐射力Frz12，浮体1所受的垂向波浪力为Fez1，波能装置中的水下浮体2在垂直方向上受重力M2g，浮力Ff2，静水回复力Fs2，阻尼力Fgen，弹性力Fk，浮体2自身运动产生的垂向波浪辐射力Frz22，浮体1运动作用在浮体2上的垂向波浪辐射力Frz21，浮体2所受的垂向波浪力为Fez2，则波能装置可简化为一个有阻尼的双自由度受迫振动系统，其数学模型简化为图2。图2双自由度振动模型Fig．2Doubledegreefreedomvibrationmodel根据牛顿第二定律可知:M1d2z1dt2=－M1g+Ff1+Fez1+Frz11+Frz12+Fs1+Fgen+Fk(1)M2d2z2dt2=－M2g+Ff2+Fez2+Frz22+Frz21+Fs2－Fgen－Fk(2)式中:浮体2的静水回复力可视为零，Fs2=0;浮体n(n=1，2)在静水平衡条件下分别有M1g=Ff1(3)M2g=Ff2(4)垂荡运动的复数运动振幅为An，其位移方程表示为zn=Ｒe［Anexp(－iωt)］，(n=1，2)(5)浮体1的静水回复力可以表示为Fs1=Ｒe［－ρgπr21A1exp(－iωt)］(6)式中:ρ为海水密度，g为重力加速度，r1为浮体1的半径。电磁力和弹性力计算式:Fgen=－C

本文编号：2587491