离岸式振荡水柱串联气室三维仿真分析
发布时间：2021-08-30 11:43
振荡水柱（oscillating water column,OWC）波浪能采集装置气室结构优化对波浪能采集效率具有重要意义,采用计算流体动力学分析（CFD）技术研究了气室尺寸和结构的优化问题。应用FLUENT软件水质点造波法和动量源项消波方法建立基于线性波浪理论的三维数值波浪水槽。模拟在周期T=3.5s波浪下对单气室尺寸优化,在此基础上建立三维双气室和三气室串联模型研究各气室内水动力变化规律。结果显示:在一定尺寸范围内增大气室开口以及合适的气室高度可增大气室波浪振动幅度,提高波能转换效率;串联气室中,先与波浪发生作用的气室比后与波浪发生作用的气室水动力性能好。
【文章来源】：山东科技大学学报(自然科学版). 2018,37(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１三维单气室仿真网格划分Ｆｉｇ．１３Ｄｓｉｎｇｌｅ－ｃｈａｍｂｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄ
其次，对左部分分割成Ａ、Ｂ、Ｃ三个模块，在Ａ、Ｂ模块Ｙ轴方向分别划分４０、５０个大小相同的结构化网格，在Ｃ模块Ｙ轴方向以１．１比率逐渐增加网格大小的规律划分３０个网格；然后，对右部分（Ｅ）创建块，在Ｘ、Ｙ、Ｚ轴分别设置３０、４０、５０个网格；对于Ｄ进行非结构网格划分。最后，将结构网格的节点和非结构网格的节点合成一体，使公共面上的节点共用，对气室周围进行网格加密，其截面网格效果如图２所示。图１三维单气室仿真网格划分Ｆｉｇ．１３Ｄｓｉｎｇｌｅ－ｃｈａｍｂｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄ图２三维仿真气室附近网格截面图Ｆｉｇ．２３Ｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄａｒｏｕｎｄｔｈｅｇａｓｃｈａｍｂｅｒ表１三维气室仿真参数Ｔａｂ．１Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ３Ｄｇａｓｃｈａｍｂｅｒ名称及单位取值水槽长度Ｌ０／ｍ４０水槽宽度Ｗ０／ｍ４水槽高度Ｈ０／ｍ８波浪周期Ｔ／ｓ３．５气室长度ｌ／ｍ２．０气室宽度Ｗ／ｍ２．０气室高度ｈ０／ｍ１．５、２．０、２．５出气孔ｄ０／ｍ０．１、０．２、０．３２．２三维单气室的数值模拟参数为了合理设计水槽几何模型，综合模拟的二阶Ｓｔｏｋｅｓ波的周期、波高及波长等参数，结合国内相关研究文献的波形参数及水槽模型几何尺寸＼［１６＼］，建立三维单气室数值水槽仿真模拟的参数设置如表１所示。三维模型的仿真将气室高度值与气室出口直径分别讨论，即设定其一，讨论另一个参数
第５期杜小振等：离岸式振荡水柱串联气室三维仿真分析图３三维仿真截面效果图Ｆｉｇ．３３Ｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｒｅｎｄｅｒｉｎｇｓ图４气室截面偏移图Ｆｉｇ．４Ｇａｓｃｈａｍｂｅｒｓｅｃｔｉｏｎｏｆｆｓｅｔ图５液位随气室高度变化曲线Ｆｉｇ．５Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｗｉｔｈｇａｓｃｈａｍｂｅｒｈｅｉｇｈｔ图６压强随气室高度变化曲线Ｆｉｇ．６Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈｇａｓｃｈａｍｂｅｒｈｅｉｇｈｔ图７气室内液位高度与出气口关系曲线Ｆｉｇ．７Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌｉｑｕｉｄｈｅｉｇｈｔａｎｄａｉｒｏｕｔｌｅｔ图８气室内压强出气口关系曲线Ｆｉｇ．８Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄａｉｒｏｕｔｌｅｔ设气室高为２．０ｍ分析气室出气孔大小对气室内压强的影响。得到的气室内液面高、压强随时间变化曲线，如图７～８所示。图７出口直径０．２和０．３ｍ时气室内液面上下振动幅度明显大于直径０．１ｍ，其中ｄ＝０．３ｍ时液面振动幅度最大，表明一定尺寸范围内气室开口增大则液面上下振动幅度增加，主要因为气室出气孔开口变大对气室内波面上下振动“阻碍”减小。图８为波浪进入气室初期（前１０ｓ内）气室内压强随时间和开口直径变化情形。仿真结果为：Ｐｄ＝０．１ｍ＞Ｐｄ＝０．２ｍ＞Ｐｄ＝０．３ｍ。在波浪进入气室一到两个波浪周期时长内，气室开口越小气室内压强越高；待波浪与气室相互作用稳定后（约１５ｓ）气室内压强随时间变化仿真结果为
【参考文献】：
期刊论文
[1]断层突水非线性渗流-应力耦合研究[J]. 郭惟嘉,赵金海,尹立明,江宁. 山东科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]输气管道泄漏流场特性分析[J]. 韩宝坤,闫成稳,鲍怀谦,牛家鹏,杨凯迪. 山东科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[3]波浪对有梁面板结构冲击作用数值模拟[J]. 金凤,万超. 水运工程. 2015(12)
[4]基于边界造波法的波浪数值生成[J]. 贺建镁,朱良生. 科学技术与工程. 2010(30)
[5]无反射造波数值波浪水槽[J]. 王永学. 水动力学研究与进展（A辑）. 1994(02)
硕士论文
[1]Fluent UDF方法在数值波浪水槽中的应用研究[D]. 辛颖.大连理工大学 2013
[2]数值波浪模拟及其在海洋平台动态特性分析中的应用研究[D]. 杨全.江苏科技大学 2013
[3]数值水池造波方法研究[D]. 李宏伟.哈尔滨工程大学 2009
[4]基于FLUENT的二维数值波浪水槽研究[D]. 李胜忠.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3372713
【文章来源】：山东科技大学学报(自然科学版). 2018,37(05)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
图１三维单气室仿真网格划分Ｆｉｇ．１３Ｄｓｉｎｇｌｅ－ｃｈａｍｂｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄ
其次，对左部分分割成Ａ、Ｂ、Ｃ三个模块，在Ａ、Ｂ模块Ｙ轴方向分别划分４０、５０个大小相同的结构化网格，在Ｃ模块Ｙ轴方向以１．１比率逐渐增加网格大小的规律划分３０个网格；然后，对右部分（Ｅ）创建块，在Ｘ、Ｙ、Ｚ轴分别设置３０、４０、５０个网格；对于Ｄ进行非结构网格划分。最后，将结构网格的节点和非结构网格的节点合成一体，使公共面上的节点共用，对气室周围进行网格加密，其截面网格效果如图２所示。图１三维单气室仿真网格划分Ｆｉｇ．１３Ｄｓｉｎｇｌｅ－ｃｈａｍｂｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄ图２三维仿真气室附近网格截面图Ｆｉｇ．２３Ｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｇｒｉｄａｒｏｕｎｄｔｈｅｇａｓｃｈａｍｂｅｒ表１三维气室仿真参数Ｔａｂ．１Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆ３Ｄｇａｓｃｈａｍｂｅｒ名称及单位取值水槽长度Ｌ０／ｍ４０水槽宽度Ｗ０／ｍ４水槽高度Ｈ０／ｍ８波浪周期Ｔ／ｓ３．５气室长度ｌ／ｍ２．０气室宽度Ｗ／ｍ２．０气室高度ｈ０／ｍ１．５、２．０、２．５出气孔ｄ０／ｍ０．１、０．２、０．３２．２三维单气室的数值模拟参数为了合理设计水槽几何模型，综合模拟的二阶Ｓｔｏｋｅｓ波的周期、波高及波长等参数，结合国内相关研究文献的波形参数及水槽模型几何尺寸＼［１６＼］，建立三维单气室数值水槽仿真模拟的参数设置如表１所示。三维模型的仿真将气室高度值与气室出口直径分别讨论，即设定其一，讨论另一个参数
第５期杜小振等：离岸式振荡水柱串联气室三维仿真分析图３三维仿真截面效果图Ｆｉｇ．３３Ｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｒｅｎｄｅｒｉｎｇｓ图４气室截面偏移图Ｆｉｇ．４Ｇａｓｃｈａｍｂｅｒｓｅｃｔｉｏｎｏｆｆｓｅｔ图５液位随气室高度变化曲线Ｆｉｇ．５Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｌｉｑｕｉｄｌｅｖｅｌｗｉｔｈｇａｓｃｈａｍｂｅｒｈｅｉｇｈｔ图６压强随气室高度变化曲线Ｆｉｇ．６Ｖａｒｉａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｗｉｔｈｇａｓｃｈａｍｂｅｒｈｅｉｇｈｔ图７气室内液位高度与出气口关系曲线Ｆｉｇ．７Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌｉｑｕｉｄｈｅｉｇｈｔａｎｄａｉｒｏｕｔｌｅｔ图８气室内压强出气口关系曲线Ｆｉｇ．８Ｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄａｉｒｏｕｔｌｅｔ设气室高为２．０ｍ分析气室出气孔大小对气室内压强的影响。得到的气室内液面高、压强随时间变化曲线，如图７～８所示。图７出口直径０．２和０．３ｍ时气室内液面上下振动幅度明显大于直径０．１ｍ，其中ｄ＝０．３ｍ时液面振动幅度最大，表明一定尺寸范围内气室开口增大则液面上下振动幅度增加，主要因为气室出气孔开口变大对气室内波面上下振动“阻碍”减小。图８为波浪进入气室初期（前１０ｓ内）气室内压强随时间和开口直径变化情形。仿真结果为：Ｐｄ＝０．１ｍ＞Ｐｄ＝０．２ｍ＞Ｐｄ＝０．３ｍ。在波浪进入气室一到两个波浪周期时长内，气室开口越小气室内压强越高；待波浪与气室相互作用稳定后（约１５ｓ）气室内压强随时间变化仿真结果为
【参考文献】：
期刊论文
[1]断层突水非线性渗流-应力耦合研究[J]. 郭惟嘉,赵金海,尹立明,江宁. 山东科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[2]输气管道泄漏流场特性分析[J]. 韩宝坤,闫成稳,鲍怀谦,牛家鹏,杨凯迪. 山东科技大学学报(自然科学版). 2017(06)
[3]波浪对有梁面板结构冲击作用数值模拟[J]. 金凤,万超. 水运工程. 2015(12)
[4]基于边界造波法的波浪数值生成[J]. 贺建镁,朱良生. 科学技术与工程. 2010(30)
[5]无反射造波数值波浪水槽[J]. 王永学. 水动力学研究与进展（A辑）. 1994(02)
硕士论文
[1]Fluent UDF方法在数值波浪水槽中的应用研究[D]. 辛颖.大连理工大学 2013
[2]数值波浪模拟及其在海洋平台动态特性分析中的应用研究[D]. 杨全.江苏科技大学 2013
[3]数值水池造波方法研究[D]. 李宏伟.哈尔滨工程大学 2009
[4]基于FLUENT的二维数值波浪水槽研究[D]. 李胜忠.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3372713
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