基于SPH方法的漂浮摆波浪能发电装置水动力特性研究

发布时间：2020-06-17 01:03

【摘要】：波浪能是海洋中一种丰富的可再生能源,波浪能有效的转变为电能,不仅有助于缓解能源危机,而且能解决海岛和边远海区的供电问题。岸基式漂浮摆波浪能发电装置具有清洁、易维护等优势,是一种非常具有潜力的波浪能发电装置。研究漂浮摆的水动力性能对提高装置的波浪能转化效率具有十分重要的意义。为此,本文采用光滑流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法对波浪与摆板之间的相互作用进行了数值研究。论文第二章首先介绍了 SPH基本理论以及边界处理方法。为了阻止流体粒子穿透固壁面这一非物理问题,本文在第二章提出了一种改进的边界力模型。为了抑制数值计算中强烈的高频振荡,在连续方程中添加了密度耗散模型。为了预测结构物的运动轨迹,采用了经典的刚体动力学方程。论文第三章采用SPH方法分别对驻波流动、规则波浪进行了数值模拟。对比分析了不同类型的核函数对SPH模拟结果的影响,结果表明高斯函数比其它函数有更高的数值精度,更适合SPH模拟自由面流动。对比研究了边界力模型对SPH数值模拟结果的影响,结果表明本文提出的改进边界力模型不仅能有效的避免流体粒子穿透固壁面这一非物理问题,而且不会降低数值精度和稳定性。本文SPH模型的数值模拟结果与解析结果和文献中的数值结果基本一致,验证了本文SPH模型能够用于模拟自由面流动。第四章采用SPH方法分别对孤立波冲击刚体板问题及规则波冲击底部铰接漂浮摆问题进行了数值模拟,并将SPH计算结果与实验结果或文献数值结果进行了对比。本文SPH模拟得到的作用于刚体板的波浪力与实验实测结果基本一致,验证了本文采用的SPH模型能够很好的预测作用于结构物上的波浪力。本文SPH模拟得到的底部铰接漂浮摆转动角度与文献数值结果基本一致,证明了本文发展的SPH模型能够用于模拟流固耦合问题。最后,采用SPH方法对岸基铰接漂浮摆进行了数值模拟,并深入分析了摆板的水动力性能。模拟结果表明摆板吸收的波浪能随着波高的增大而增多,存在最优阻尼系数能使得摆板吸收更多的波浪能,最优阻尼系数值随周期的变化而改变。当两个漂浮摆相互作用时,随着两个摆板之间距离的增大,前后两个摆板的平均有效功率呈现出不同的变化趋势,靠近造波板的摆板平均有效功率逐渐增大,远离造波板的摆板平均有效功率逐渐减小;当两个摆板间距足够大时,前后两个摆板的平均有效功率不再改变。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P743.2;P742
【图文】：

发电系统,英国,波浪能,摆式

摆式波浪能发电装置的典型代表为绿色能源公司（Ａｑｕａｍａｒｉｎｅ邋Ｐｏｗｅｒ）研发逡逑的一种底部铰接浮力摆式波浪能装置，这种装置被称为Ｏｙｓｔｅｒ邋［｜（５＇邋１｜］。Ｏｙｓｔｅｒ浮逡逑力摆由一组垂直悱列的漂浮管组成，并与底部基座铰接连接，如图１．２和图１．３逡逑所示。装置在波浪力与自身浮力的作用下来回运动，此运动压缩水并将其传送到逡逑陆地上，在陆地上利用水力发电装置将液压能转化为电能，从而实现波浪能的利逡逑用。Ｏｙｓｔｅｒ摆式波浪能装置具有结构简单、生存性高、岸基发电等特点。该装逡逑置从２００３年开始模型试验，２００５年实现商品化，２００９年研制的Ｏｙｓｔｅｒ邋ｌ－３１５ｋＷ逡逑型全比例样机实现了并网发电。逡逑．．邋．．邋．一，逡逑图１．２英国Ｏｙｓｔｅｒ发电系统逡逑３逡逑

英国,实物,摆板,波浪能

图１．３英国Ｏｙｓｔｅｒ装置实物图逡逑以色列Ｅｃｏ邋Ｗａｖｅ邋Ｐｏｗｅｒ公司［１２］设计的两款固定在岸边的波浪能发电装置，逡逑分别是“ＷａｖｅＣｌａｐｐｅｒ”和“ＰｏｗｅｒＷｉｎｇ”，如图１．４所不。在波浪的推动作用下逡逑摆扳上下摆动，带动皎接在摆板上的液压杆运动，液压杆通过压缩液压缸将机械逡逑能转化为液压能，液压能通过驱动发电机进一步转化为电能。此类装置安全距离逡逑小，可以阵列并行摆故，而且能够在恶劣天气条件下将摆板拾至与波浪脱离接触逡逑的高度，进而避免装置遭受破坏。另外，由于此类装置安装在岸边，安装与维护逡逑的成本较低。逡逑Ｐ逦Ｖ逡逑ｒｒ邋Ｓ＇逡逑＇逦？逦罐邋３逡逑，…．邋；．？逡逑图邋１．４邋Ｐｏｗｅｒ邋Ｗｉｎｇ邋（左）和邋Ｗａｖｅ邋Ｃｌａｐｐｅｒ邋（右）逡逑我国从２００８年开始了对浮力摆式波浪能发电装置的研发，目前已具备一定逡逑的研究基础并突破了波浪能俘获及转换的关键技术。图１．５左图是由国家海洋技逡逑术中心研制的１００ＩＣＷ浮力摆式波浪能装置。该装置采用模块化设计，由２个独逡逑立发电系统和电控系统组成

【参考文献】