多節(jié)漂浮式波浪能轉換裝置水動力性能研究.pdf

1、海洋波浪能被認為是最具潛力的可再生能源之一，在眾多的波浪能利用技術中，多節(jié)漂浮式波浪能轉換裝置以其單機功率大、波能轉換效率高、抗浪能力強、海況適應性好等眾多優(yōu)勢，展現了極好的發(fā)展前景。深入研究該類型裝置，對緩解我國能源緊缺、環(huán)境污染等問題具有重要的現實意義，目前，國內對該類型裝置的研發(fā)還較為滯后。其中，水動力性能分析是波浪能轉換裝置研發(fā)的最基礎工作。本研究以工程應用為背景，針對我國海況條件，采用理論分析、時域頻域的機理研究、海上試驗驗證

2、和數值模擬相結合的方法，對該裝置的水動力性能進行了系統(tǒng)研究，重點分析了浮體運動和波能轉換的機理問題。
　　考慮裝置鉸接浮體間PTO（Power Take-off，能量提取系統(tǒng)）約束和作用力，基于多剛體動力學理論，建立了裝置波浪運動的數學模型;引入浮體間運動約束方程以表示PTO系統(tǒng)的運動約束，從而將波浪中運動的多節(jié)浮體構成相互連接的系統(tǒng)并使得模型可解。應用波浪繞射理論推導了雙節(jié)鉸接浮體結構物在波浪中所受的波浪激勵力和波浪激勵力矩的解

3、析表達式，并通過數值模擬進行了驗證。
　　基于多尺度理論，推導求解了多節(jié)鉸接浮體在靜水中和波浪中的垂蕩-縱搖運動的時域近似表達式，推導過程和求解結果揭示了浮體波浪運動的響應特性和位移、速度等的運動合成機理。通過對裝置PTO系統(tǒng)的影響分析，發(fā)現在較大范圍內，裝置的波浪能俘獲寬度比隨著PTO阻尼系數或回復彈簧彈性系數的增大而持續(xù)增大，因此，在理論上對該類裝置的PTO系統(tǒng)進行優(yōu)化是不可行的。PTO阻尼的非線性對浮體縱搖運動具有影響，波浪

4、能俘獲寬度比均隨著PTO阻尼速度指數的增加而減小。
　　根據浮體隨波運動的周期性特征，建立了表征雙節(jié)鉸接浮體式裝置幅頻響應的四元一次復數方程組，解析分析表明，各節(jié)浮體縱搖幅值相等，在運動上相差一個相位差。通過分析浮體幾何尺寸對裝置的共振運動、相位差以及波能俘獲的影響，提出了基于浮體共振與浮體運動相位差的浮體優(yōu)化方法，求解出浮體相對于波長λ的無量綱最優(yōu)尺寸分別為:最優(yōu)長度LN=0.5，波浪周期T＞3.0s時，最優(yōu)半徑RN=0.065

5、，最優(yōu)吃水DN=0.08。
　　綜合考慮系泊系統(tǒng)、風、流等約束或環(huán)境載荷的影響，建立了多節(jié)鉸接浮體波浪運動的CFD數值模型。分別對波浪要素、系泊系統(tǒng)、風、流載荷以及陣列布置對三節(jié)浮體式裝置水動力性能的影響進行了數值模擬，結果表明:在線性波條件下，裝置的兩組PTO阻尼各自的轉換功率沒有明確的規(guī)律;在小波高的情況下，裝置的波浪能俘獲寬度比基本不變，波高較大時，俘獲寬度比隨著波高的增大而減小;對于本文所研究的漂浮式波浪能轉換裝置，水深基

6、本不影響裝置的水動力性能;裝置在不規(guī)則波條件下的波浪能轉換功率大約相當于線性波條件下的38％-65％，且兩組PTO阻尼的轉換功率較為一致;在斯托克斯二階波條件下，裝置的波浪能轉換功率比在線性波條件下更大，大約為線性波條件下的110％-145％，波浪能俘獲寬度比大約為線性波條件下的55％-65％。無論是在無流還是有流情況下，錨索連接于浮體2的中間位置，也即整個裝置的中間時，裝置可以獲得最佳的俘獲寬度比;連接于裝置兩端的錨索，當錨素質量較小

7、時，可提升裝置的波浪能轉換的功率;通過對風速的影響分析，發(fā)現在黃渤海水域最常見的周期為2.5s-4.0s的波浪中，較小的風速通常會小幅降低裝置的俘獲寬度比，較大風速則有利于俘獲寬度比的提高;裝置在流中的運動和能量轉換十分復雜，流主要通過兩個方面對波浪能轉換裝置施加影響，一是波流相互作用造成裝置的運動周期、幅值發(fā)生變化，該因素可通過波浪遭遇周期理論和波能流、波浪作用守恒原理進行分析。二是流的載荷作用于裝置，使得裝置所受的錨索張力發(fā)生變化;