多体振荡式海洋能装置总体性能数值分析方法

发布时间：2018-03-05 03:35

  本文选题：联合运动方程　切入点：波浪能装置　出处：《哈尔滨工程大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：多体振荡式海洋能装置通过动浮子与静浮体之间的相对垂荡运动将波浪能转换为机械能,再利用能量吸收装置PTO(Power Take-Off)将浮子运动的机械能转换为电能,具有结构形式简单、能量吸收率高等优点,在海洋可再生能源领域得到了广泛的研究和应用。本文针对多体振荡式海洋能装置的总体性能展开了研究,并进行了模型试验验证,主要研究内容如下:建立了多体振荡式海洋能装置的数学运动模型。在考虑了浮体的6自由度运动以及浮子的相对垂荡运动的基础上,推导了浮体-浮子的7自由度非线性联合运动方程。进一步将联合运动方程整理为一阶非线性常系数微分方程组的形式,提出了适用于该方程组的数学模型求解方法,采用自适应阶的四阶龙格库塔法对整理后的联合运动方程进行了数值求解。提出了多体振荡式海洋能装置的环境载荷分析方法,对波浪载荷、锚泊载荷和PTO系统阻尼力分别进行了分析。根据多体振荡式海洋能装置中浮体与浮子的尺寸特征,采用完全细长体理论计算浮体的波浪载荷,采用Froude-Krylov理论计算浮子的波浪载荷,采用半耦合动力模型计算锚泊载荷,采用线性阻尼模型分析PTO系统阻尼力。对海蘑菇波浪能装置的总体性能进行了数值分析。结合已有的模型试验数据,对于海蘑菇波浪能装置数学运动模型的适用性和准确度进行了验证,对该装置作业海况下的运动响应及输电性能进行了数值分析。通过海蘑菇波浪能装置与单自由度波浪能装置数学模型计算结果的对比,分析了浮体纵摇运动和浮子垂荡运动之间的耦合效应。在此基础上,对于浮体纵摇PTO阻尼系数和浮子垂荡PTO阻尼系数进行了参数分析。对STC(Spar-Torus Combination)风浪能混合利用系统的总体性能进行了数值分析。结合已有的模型试验数据,对于STC风浪能混合利用系统数学运动模型的适用性和准确度进行了验证,对该装置在作业海况下的运动响应及输电性能进行了数值分析。考虑Spar固定不动和系统正常作业两种模式,分别对浮子垂荡PTO阻尼系数进行参数分析。通过对比两种模式的数学模型计算结果,分析了 PTO阻尼力对系统运动响应以及输电性能的影响。
[Abstract]:The multi-body oscillatory oceanic energy device converts wave energy into mechanical energy through the relative pendulum motion between the floating float and the static floating body, and then converts the mechanical energy of the float motion into electric energy by using the energy absorption device PTO(Power Take-Off.This has a simple structure. Because of its high energy absorption rate, it has been widely studied and applied in the field of marine renewable energy. In this paper, the overall performance of multi-body oscillating oceanic energy plant is studied, and the model test is carried out. The main research contents are as follows: the mathematical motion model of the multi-body oscillating oceanic energy device is established, and the motion of the floating body with 6 degrees of freedom and the relative droop motion of the float are considered. The nonlinear joint motion equation with 7 degrees of freedom for floating body and float is derived. The joint motion equation is further arranged into the form of first order nonlinear ordinary coefficient differential equations. A mathematical model solution method suitable for the equations is proposed. An adaptive fourth order Runge-Kutta method is used to numerically solve the combined equations of motion, and an environmental load analysis method for a multi-body oscillating oceanic energy device is proposed. The anchoring load and the damping force of PTO system are analyzed respectively. According to the size characteristics of floating body and float in multi-body oscillating oceanic energy device, the wave load of floating body is calculated by the theory of complete slender body, and the wave load of float is calculated by Froude-Krylov theory. The half-coupling dynamic model is used to calculate the mooring load, and the linear damping model is used to analyze the damping force of the PTO system. The applicability and accuracy of the mathematical motion model of the sea mushroom wave energy device are verified. The motion response and transmission performance of the device under sea conditions are numerically analyzed. The numerical results of the mathematical model of the mushroom wave energy device and the single degree of freedom wave energy device are compared. The coupling effect between the pitching motion of floating body and the motion of floating pendulum is analyzed. The parameters of PTO damping coefficient of floating body and PTO damping coefficient of float swinging are analyzed. The overall performance of the system with mixed wind and wave energy of STC(Spar-Torus combination is analyzed numerically. Combined with the existing model test data, The applicability and accuracy of the mathematical motion model of STC wind and wave hybrid system are verified. The dynamic response and transmission performance of the device under sea conditions are numerically analyzed. The two modes of fixed Spar and normal operation of the system are considered. The parameter analysis of the PTO damping coefficient of floating heave is carried out, and the effect of PTO damping force on the system motion response and transmission performance is analyzed by comparing the results of the two mathematical models.
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P742

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