振荡浮子波能利用效率与影响参数的数值模拟研究

发布时间：2019-11-19 19:53

【摘要】：随着能源和环境问题日益突出,人们对可再生资源的需求量日益增长。波浪能作为一种分布极广和能量储存量极大的可再生清洁能源,其利用已然成为当下的研究热点。在这方面,振荡浮子波能转化技术具有结构形式简单和可靠性高等特点,但也面临着转化效率低和发电成本高等问题。着眼于此,本文研究了转化装置自身因素和环境参数对振荡浮子波浪能利用效率的影响,用于实际工程中对该装置设计提供参考。本文的研究内容如下:基于CFD商业软件ANSYS FLUENT,分别采用了数值边界造波法和数值质量源造波法建立了二维数值波浪水槽,通过时域和频域分析方法对计算所得结果与经典波浪理论值进行对比,获得了波浪水槽数值模拟的适用条件,并揭示了水槽中波浪的运动特性;在建立了二维波浪水槽的基础上,选择边界造波法造波并加入风与流的作用,建立了二维与三维风-浪-流联合数值水槽。完成了三维数值水槽方柱模型的绕流模拟,并将模拟所得方柱受力结果与现行规范结构进行对比分析,从而确定满足精确性和经济性的网格尺寸、时间步长和湍流模型;根据刚体运动理论和牛顿第二定律建立了浮子的运动方程,利用FLUENT软件中的动网格技术,耦合浮体的运动方程和粘性流体的控制方程,建立了浮子在波浪水槽中的运动模型,详细分析了浮子在三维数值水槽中的运动特性。针对三维波浪水槽中的振荡浮子模型,研究了浮子在不同的转化装置自身因素(弹簧力、质量力和阻尼力)和波浪参数(波高、风速和流速)下的波能转化率。根据振荡浮子波能转化效率与这些因素的相互关系,进一步揭示了振荡浮子波浪能利用的机理。
【图文】：

固定式振荡水柱式发电技术是将装置固定的安装在岸上，而无需系泊系统和海底电缆。图 1-1 为最常见的振荡水柱模型。图1-1 固定式振荡水柱波能转化装置[10]常见的固定式振荡水柱转化装置由气腔、平台和动力转化装置构成。利用波浪的冲击作用，使气腔里的气压产生周期性的变化，，进而为动力转化装置提供发电所需的气流运动。固定式振荡水柱发电装置具有下列特点：1）安装维护简单，电力传输方便；2）该装置采用的是空气透平，发电机并不直接

球形浮子上下浮动转化波浪能。这个浮标通过闩锁来控制相位移动，并配备一个空气涡轮机。图 1-3 所示为该模型，1983 年在特隆赫穆峡湾的测试模型。图1-3 特隆赫穆峡湾的 Norwegian 测试模型[10]英国的 AquaBuOY 波能转化装置是通过波浪使浮子进行运动，进而使软泵 中 的 水 产 生 运 动 进 而 发 电 的 一 种 新 型 波 能 转 化 装 置[19]。 荷 兰 的（Archimedes Wave Swing，AWS）是一种离岸式，全浸没的点吸收式发电装置（在水深 43 m），AWS 装置如图 1-4 所示。他主要有两个组成部分：筒仓和浮子。筒仓固定在海底，浮子会上下浮动。当波浪压力改变的时候，浮子也会上下浮动。该装置应用了当前较为先进的永磁直流发电装置[20]。图1-4 Archimedes Wave Swing 波能转化装置[20]1.2.3 振荡浮子结构优化的研究现状振荡浮子式波能转化技术相比其他转化技术具有可靠性高、转化效率高、易安装、适用性广等优点，但是这种波能发电技术的发电成本仍然比火力发电的成本要高得多，因此学者们都热衷于研究如何进一步优化浮子结构、提高转化效率
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P743.2

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本文编号：2563213