岸式振荡水柱波能发电装置的试验及数值模拟研究

发布时间：2020-06-01 15:23

【摘要】： 岸式振荡水柱波能发电装置是目前世界上应用最为广泛的波能转换利用装置。对该类波能转换装置的全面深入研究,可为开发设计更为高效的波能转换与利用装置提供指导,对解决日益严峻的能源和环境问题具有重要意义。本文以岸式振荡水柱波能发电装置的实用化开发为背景,采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法对该类波能发电装置进行了系统的研究。对气室结构的物理模型试验研究,发现了气室内自由水面振荡波幅、相对压强及输气管内空气流速与入射波要素的变化关系,考察了气室宽度、前墙吃水深度、前墙厚度、底坡坡角及气室顶部开口形式在不同的波周期区对气室波能俘获能力的影响,在此基础上遴选出影响气室工作性能的主要参量,并建议根据不同气室结构和参量选择二、三维数值计算模式。本研究构建了基于水气两相VOF模型的二、三维数值波浪水槽,采用PLIC法进行自由水面追踪方法有效可靠,波浪周期、波长及波高等参量的计算值与理论解析解基本一致。气室结构的二维数值模拟发现,相对波幅会在入射波周期范围内形成三个具有不同分布特征的区域:短周期区,峰值区及长周期区。气室宽度较小时,气室墙前水深、气室前墙吃水深度、气室前墙厚度及海底坡角对气室性能具有一定的影响;气室宽度较大时,相对波幅在入射波周期范围内不存在峰值区,且上述各参量对气室波能俘获能力的影响则较小。与二维计算及试验结果相比,三维数值波浪水槽能够更为准确地预测气室内相对波幅、相对压强及输气管内流速。气室宽度、气室长度及输气管管径对气室工作性能的影响较大,输气管管长及其装配位置对气室波能转换效率的影响则较小。波浪聚集装置能够在长周期区提高气室—输气管系统的工作性能,多孔介质模型可模拟空气透平对气室—输气管系统的压降作用及其对输气管内流量变化的影响。本文建立了基于多重参考系模型冲击式透平的三维数值模拟方法,确定了计算中应采用的湍流计算模型,网格类型与网格数范围。与试验结果的比较表明,三维数值模拟对透平工作性能的计算结果优于二维模式。本研究通过数值模拟得到了透平内空气流场及动叶片表面压力分布规律,给出了动叶片数,透平径间比,动叶片入射角,动叶片装置角,透平轮毂比及动叶片外径间隙的最佳设计值,提出了在动叶片顶端安装环形盖板及设置动叶片弯扭角的优化方案。
【图文】：

示意图,波能转换装置,示意图,波力发电

.波能利用装置结构较简单，建造和维护方便，便于进行群体化、密集型开发。能利用的主要形式为波力发电。波力发电装置通常具有两个部分：第一部分为，作用是俘获波浪能；第二部分为转换系统，即把俘获的波浪能转换为某种特机械能或电能。采集系统的波能转换基本原理如图 1-1 所示，主要包括振荡水摇式、冲动式、垂荡式及垂荡与摇摆式；转换系统有空气叶轮、低水头水轮机统、机械系统以及发电机等，提高转换效率的方法有可控叶片、变阻尼、整流，提高能量质量的方法有能量缓冲和调励磁等。中国开发波力发电的必要性力发电已经经历了 100 多年的历史，由航标灯用小型化发展到与电力系统并网型化，，由试验验证时代发展到商品化、商业化和国际贸易化时代。目前世界各认波力发电是海洋能源开发利用的重要项目，是清洁无污染的可再生新能源的图 1-1 波能转换装置示意图

服役地点的水深情况、设计工艺及施工条件，波力发电装置大致可分式（Offshore Devices）；近岸式（Near-shore Devices）；靠岸式（Shoreline D的重点为非振荡水柱式装置，振荡水柱式装置将在下一节集中介绍。离岸式装置多是被安置在水深大于 40m 的波能资源丰富的海区。近期的研究块化、高效能输出、便于批量组装应用的设计方案。国际上公认具有种：式波能船（Floating Wave Power）飘浮式波能船[13]是由瑞典开发的一波力发电装置（图 1-2），主要组成部分为一个由四个压载仓支撑的飘浮锚固系统可使船体正对波能最强的方向。该装置的工作原理类似于渐HAN）装置，海水返回到海中时可带动低水头水轮机工作发电。其优，且可适应各种极端海况。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：P743.2

【参考文献】