振荡浮子式波浪能发电装置的试验及数值仿真研究

发布时间：2020-06-28 18:20

【摘要】：以石油、煤炭、天然气为代表的传统能源的过度利用,使得人口、环境、能源之间的矛盾日益突出。如何协调好三者之间的关系是各个国家发展所必须面临和解决的关键问题。在此种形势下,波浪能以其分布广泛、能流密度大、无污染、可再生等诸多优势在绿色能源中脱颖而出,受到各个海洋大国的追捧。在诸多波浪能发电装置中,振荡浮子式波能转化装置被公认为最具开发潜力的波浪能转化方式。基于振荡浮子式波能转换装置的实际工程应用,本文选取圆台形式的振荡浮子作为拾能机构,分别对影响该波能转换系统俘获效率的主要因素进行了物理模型试验及数值仿真研究。针对影响振荡浮子式波能发电装置工作性能的关键因素,主要进行了以下工作:首先,采用倒圆台形状浮子和固定圆柱的组合体作为波能俘获系统进行物理模型试验,在规则波环境下,着重考察入射波波高、周期及浮子初始吃水深度对俘能系统水平波浪力、浮子垂向加速度及能量吸收效率的影响,得出该波能俘获装置所受水平波浪正向力、垂向加速度及初级能量俘获效率与波浪要素及浮子初始吃水之间的作用关系,并给出了试验工况下的最佳俘能周期,并为后续数值模拟算例的设置提供一定参考。其次,为了平衡数值计算耗时和计算精度,本文采用Gambit前处理软件建立了二维数值水槽,基于OpenFOAM的造波工具包waves2Foam进行了数值收敛性测试,初步确定水槽长度和波高范围内的网格数量,为三维数值水槽的建立提供网格方案参考。再次,在完成上述工作基础上,采取数值模拟进一步分析了浮子的垂向运动响应。首先建立了三维粘性数值水池,对其造波效果进行验证;将圆柱形浮子和圆台形浮子在同种入射波环境下的垂向运动响应情况进行对比分析,验证了浮子选型的正确性;进而在水槽中加入圆台形浮子与固定圆柱的组合体模型,导入OpenFOAM中进行数值计算;将同种波浪环境下数值计算得到的系统波浪力与物理模型试验结果进行对比,证明数值计算的可靠性;然后分别分析了入射波波高、周期及浮子初始吃水深度对浮子垂向运动响应的影响,寻找浮子垂向运动响应较好的波浪环境和浮子初始浸没深度。最后,为了研究阵列式振荡浮子发电装置的工作性能及各浮子之间运动响应的影响,本文选取三个同等尺度圆台形浮子呈圆周式排列,在三维数值水槽中进行了数值模拟,初步分析了阵列式浮子发电装置中各浮子之间动力响应和垂向运动响应的相互影响情况、阵列式浮子系统的整体波能转化效率。结果表明:本文阵列式浮子系统中各浮子之间的垂向运动响应影响不大,浮子系统具有较高的能量转化效率。综上所述,本文主要采取物理模型试验及数值模拟相结合的思路,对影响振荡浮子俘获装置力学性能及俘能效率的主要因素进行了相关研究,为实际工程中特定海域波能转化装置的研发提供一定的参考。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P743.2;TM612

【参考文献】