筏式波浪能海水淡化装置的水动力性能研究
本文关键词： 波浪能 筏式装置 海水淡化 水动力性能 波能俘获系数 出处：《清华大学》2016年博士论文 论文类型：学位论文
【摘要】：淡水资源短缺是人类面临的一大危机。利用海洋波浪能来驱动反渗透膜进行海水淡化为沿海和海岛等缺乏淡水的地区提供了不依赖电能而制备淡水的方案。众多波浪能装置中,筏式装置波能俘获效率较高,用筏式波浪能装置驱动反渗透膜淡化海水具有广阔的应用前景。波浪能海水淡化装置研发过程复杂,其中水动力性能研究是十分基础和关键的工作。本文采用理论分析和数值计算相结合的方法,先后将海水淡化系统视作筏式装置的能量俘获(PTO)系统和反渗透膜对流扩散模型,围绕筏式波浪能海水淡化装置的水动力性能问题开展了系统深入的研究。针对筏体宽度远大于波长的情况,建立了求解筏式波浪能装置水动力问题的二维解析模型。讨论了PTO阻尼系数、筏体吃水、筏体间距、筏体数量、筏体长度和长度比等参数对波能俘获效率以及波浪透射系数的影响。计算结果表明双筏体波浪能装置采用长度不等的筏体时可以显著提高波能俘获能力。针对由椭圆截面筏体构成的筏式波浪能装置的三维水动力问题,采用数值计算模型讨论了筏体长度、波浪周期、筏体横截面高宽比、筏体回转半径以及线性和非线性PTO系统对装置波能俘获性能的影响规律。此外还对锁闭控制策略的影响进行了研究。计算结果表明适当的回转半径可使筏体纵摇转速与波浪激励力矩趋于同相位,进而显著提高筏式波浪能装置的波能俘获能力。数值模型求解筏式装置的最大波能俘获功率过程冗赘且不准确。本文采用直接求解系统俘获的波能以及通过能量守恒准则间接计算装置俘获的能量两种方法,分别建立了求解铰接双筏体最大波能俘获性能和求解铰连多筏体极大波能俘获性能的两个理论分析模型,可以快速、准确计算筏式装置的最大波能俘获性能。提出了筏体内部含有弹簧振子系统和液舱的具有自主知识产权的两种新型筏体波浪能海水淡化装置,并建立了求解两种装置波能俘获系数的数学计算模型。分析表明,选取适当的弹簧振子系统和液舱尺寸可以显著提高波能俘获性能。采用一维对流扩散模型来模拟反渗透膜组件淡化海水的过程,建立“筏式波浪能装置-蓄能稳压器-反渗透膜组件”的耦合数学模型来考虑筏式装置和反渗透膜组件之间的实时相互耦合作用,并讨论了活塞横截面积、反渗透膜宽度、蓄能稳压器初始气体体积和波浪周期等参数对装置淡化海水能力的影响规律。
[Abstract]:In this paper , a two - dimensional analytical model for solving the water power problem of raft - type wave energy device is presented , which is based on the theory analysis and numerical calculation .
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P747;P743.2
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，本文编号：1473213
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