基于数值水槽的水平轴波浪能发电装置流固耦合分析

发布时间：2020-11-04 04:33

　　 随着化石能源的枯竭和各种环境问题越来越严重,清洁能源受到世界各国越来越多的关注,波浪能作为非常有潜力的清洁能源之一,对于解决化石能源带来的各种问题,具有重要的意义。本论文旨在研究基于实际海况的水平轴波浪能发电装置的波浪能捕获效率和两次冲击过程中的装置结构可靠性。本文首先介绍发电装置的类型和工作原理,以及国内外的研究现状,并对水平轴波浪能发电装置的核心部件水轮机转子进行详细的描述。介绍数值水槽的主要模型以及边界条件和控制方程等,介绍数值造波过程中的自由液面边界条件和波浪的模型,以及自由液面监测的相关方法和各自的优势。其次,使用Fluent软件建立数值水槽,对水槽进行离散,通过对水槽中的波浪建立时间单位的监测和长度单位的监测,确定波浪随着水槽长度变化的衰减从而确定水平轴波浪能发电装置的布放位置,通过对阻尼区波高的监测,研究阻尼系数对于消波的影响,从而确定数值水槽合理的阻尼常数。然后建立包含水轮机转子和流道的水平轴波浪能发电装置的二维模型,将装置布放在数值水槽中,介绍数值仿真所需要的运动模型和交界面设置。对模型的转速和扭矩数据进行提取,通过Savitzky-Golay滤波方式对数据进行平滑处理,通过仿真的云图和扭矩曲线解释水平轴波浪能发电装置在两次冲击过程的特点。建立渐开线式和双圆弧式的水平轴波浪能发电装置,对不同线型的装置的扭矩和波浪能捕获效率进行对比,从而发现最优的水轮机线型。研究表明,渐开线式的水轮机的波能捕获效率更高。装置的淹没水深是另一个影响波浪能捕获效率的重要因素,通过建立不同淹没水深的渐开线式水轮机装置模型,对装置最优的淹没水深进行分析与研究,从而确定装置的最优淹没水深。最后,建立水平轴波浪能发电装置的三维模型,对模型进行网格划分和边界条件设置,在流体仿真的基础上,建立流固耦合面,将流体仿真的压力数据导入到三维模型中,对相应的部位进行施加,得到水轮机两次冲击时装置的变形量和应力云图,从而验证装置在波浪作用下的可靠性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P743.2;P742
【部分图文】：

１．２．１．振荡水柱式波浪能发电装置??振荡水柱波浪能发电装置按照是否固定分为：岸基式和漂浮式两种形式。岸??基式波浪能发电装置如图１．１，主要组成部分为：浸没在水底的混凝土结构或者??钢结构，包含自由液面（即水柱）的开放部分以及气阀的气室，包含汽轮机的发??电部分。??汽轮＼?阀??空气１?＾?１°＼?水柱??海痒?｜?波浪??图１．１岸基式振荡水柱波浪能发电装置??２０世纪７０年代发明的威尔斯涡轮机，因为不需要气体调节阀而得到了广泛??的应用。１９９９年在葡萄牙亚速尔群岛安装的Ｐｉｃｏ装置，如图１．２?（ａ）所示，额??定功率为４００ｋＷ，目前仍在运行中Ｐｉｃｏ坐落在海床上，毗邻峭壁。２０００年??安装完成的Ｉｓｌａｙ装置，如图１．２（ｂ）所示，额定发电功率为５００ｋＷ，安装在岩石??峭壁中Ｍ。１９９５年大型岸基式振荡水柱波浪能发电装置一一ＯＳＰＲＥＹ，额定功率??为１ＭＷ，被海浪破坏，沉入了苏格兰海域［１６］。Ｏｃｅａｎｌｉｎｘ设计的ｇｒｅｅｎＷＡＶＥ，功??２??

第１章绪论??率为１ＭＷ，如图１．２（ｄ）所不。２０１４年五月，装置在从阿德来德港运彳主麦克唐奈??港过程中，支撑３０００吨结构的安全气囊在澳大利亚西部发生意外，致使装备搁??浅。韩国在济州岛附近安装了一台额定功率为５００ｋＷ的装置，如图１．２?（ｅ）所??示，该装置３７ｍ长，３１．２ｍ宽＾如图１．２（ｃ）所示的发电装置，额定功率为ｌＯＯｋＷ，??２００１年在广东省安装完成；如图１．２（ｆ）所示，为中国科学院广州能源研究所，??在＂８６３计划＂支持下建造完成的，额定功率为５０ｋＷ［１８ｌ。??（ａ）?Ｐｉｃｏ波浪能发电装置?（ｂ）?Ｉｓｌａｙ波浪能发电装置??Ｊ？一，德?＿??（ｃ）?１００ｋＷ波浪能发电装置?（ｄ）?ｇｒｅｅｎＷＡＶＥ波浪能发电装置??（ｅ）?５００ｋＷ波浪能发电装置?（ｆ）?５０ｋＷ振荡水柱式发电装置??图１．２岸基式振荡水柱波浪能发电装置??最早的漂浮式振荡水柱波浪能发电装置是由Ｙｏｓｈｉｏ?Ｍａｓｕｄａ发明的导航浮??标，其示意图如??图１．３所示第一个安装在海中的大型波浪能转换装置是Ｋａｉｍｅｉ

山东大学硕士学位论文??也是由ＹｏｓｈｉｏＭａｓｕｄａ为日本海洋科学与技术中心发明的。如图１．４?（ａ）所??示，Ｋａｉｍｅｉ是一艘大型轮船，长８０米，宽１２米，８２０吨重；在船体上建有１３??个开底的气室，作为测试震荡水柱式发电装置最重要的涡轮机的平台。该装置??分别于１９７８到１９８０和１９８５到１９８６年布放在了日本的西海岸【１９－２１］。如图??１．４（ｂ）所示的Ｕ－Ｇｅｎ装置包含不对称浮体，浮体内装有水的Ｕ型箱；两侧气室??通过通道相连。Ｕ型震荡水柱式波浪能发电装置的运动，主要是浮体的俯仰，??迫使空气通过一个装有自调整汽轮机的管道，带动汽轮机转动，实现能量的转??化。２０１０年，一个１：?１６的模型（１．２５米长）在法国布雷斯特市的海洋开发研??究院波浪水槽中进行了测试［２２］。??发电机??
【参考文献】

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本文编号：2869618