共轴双柱式波能装置水动力及能量转换特性研究

发布时间：2021-12-02 04:11

　　为解决波能转换装置向深水环境推进过程中存在的系统稳定性和能量转换效率问题,借鉴海洋工程中常用的稳性辅助构件形式,在现有的点吸式波能装置基础上引入阻尼板.基于线性微幅波假设,通过特征函数展开和边界匹配的势流半解析方法,结合多自由度振动理论,探索阻尼板的存在及其构型参数变化对获能系统水动力、运动响应及能量转换效率的影响.计算结果表明,阻尼板会降低浮子受到的波浪激励力,阻尼板与浮子间的相互作用水动力大于浮子自身运动受到的水动力,且主要体现在惯性载荷部分;阻尼板会使系统出现两个耦合共振频率,且新出现的共振频率对阻尼板半径更加敏感,在较小共振频率处的最优波能转换效率均随着阻尼板半径和浸没深度增加先增大后减小.研究结果可为深水波浪能利用的工程应用提供理论基础,为后续振荡浮子波浪能发电装置优化提供依据. 

【文章来源】：江苏科技大学学报(自然科学版). 2020,34(02)

【文章页数】：7 页

【部分图文】：

波能转换振动模型

文中波能装置工作水域深度为h,获能结构为半径为R1,吃水为d1 的漂浮圆柱形浮子,载体为与浮子共轴的浸没于浮子下方的阻尼圆盘,定义其半径为R2,浸水深度为d2,厚度为t.装置中PTO系统安装在立柱内部,连接浮子于阻尼板,不会对系统水动力产生影响,由此可以得到流域划分(图2).在柱坐标系(r,θ,z)下,为便于描述波能装置在波浪中的流场特性,定义水平面rOθ在静水面上,Oz轴垂直向上.根据线性波理论,流域中的速度势可以提出其时间因子e-iωt,由此得到的空间速度势Φ(r,θ,z)可以分解为入射势、绕射势和辐射势,具体可以表示为:

由于阻尼板的存在,浮子的辐射水动力特性发生了很大的变化.浮子自身的附加质量和辐射阻尼随着阻尼板半径的增大而不断增大,如图3(c)和3(e),此外值得注意的是,浮子与阻尼板之间的相互作用辐射作用力体现为负的,如图3(d)和3(f)所示,由此说明浮子和阻尼板的自激励运动,均会促进对方的运动,且相互作用力的绝对值也随着阻尼板半径增大而逐渐增大.还可以看出,带阻尼板浮子比单个浮子受到的辐射作用力要大,且随着阻尼板增大,这种增大现象更加明显.阻尼板及其参数变化对浮子及阻尼板运动的影响见图3(g)和(h),浮子由于阻尼板的存在运动幅值增大,且其固有频率随阻尼板半径增大向低频移动,阻尼板自身运动随其半径增大减小,固有频率也逐步减小,由此可得,在给定波浪条件下,阻尼板会使得浮子运动加剧.图4描述了阻尼板半径给定后,其浸没深度改变对浮体所受波浪激励力的影响.当增大阻尼板浸没深度时,浮子的波浪激励力保持不变,但阻尼板存在使得其小于单个浮子受到的波浪激励力,如图4(a),阻尼板受到的波浪激励力随着阻尼板浸没深度增加更加明显,尤其体现在高频部分,与阻尼板浸没深度呈反相关,如图4(b)所示.当增大其浸没深度,带阻尼板浮子由自激励运动所受的辐射作用力有略微减小,但总体上要远大于不带阻尼板时受到的作用力,如图4(c)和4(e).同样的,浮子由于阻尼板作自激励垂荡运动产生的辐射波作用力呈现为负的,其中附加质量绝对值与阻尼板浸没深度呈反相关,而阻尼部分在低频时几乎没有变化,在高频时,也与浸没深度呈反相关,如图4(d)和(f)所示.改变阻尼板吃水对浮子及阻尼板自身运动响应的影响如图4(g)和(h)所示,可以看出,阻尼板吃水对浮子的运动几乎没有影响,但阻尼板吃水增加,其运动幅值迅速降低.


本文编号：3527703