多節(jié)漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換裝置水動(dòng)力性能研究.pdf

1、海洋波浪能被認(rèn)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(shù)中，多節(jié)漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換裝置以其單機(jī)功率大、波能轉(zhuǎn)換效率高、抗浪能力強(qiáng)、海況適應(yīng)性好等眾多優(yōu)勢(shì)，展現(xiàn)了極好的發(fā)展前景。深入研究該類型裝置，對(duì)緩解我國(guó)能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)該類型裝置的研發(fā)還較為滯后。其中，水動(dòng)力性能分析是波浪能轉(zhuǎn)換裝置研發(fā)的最基礎(chǔ)工作。本研究以工程應(yīng)用為背景，針對(duì)我國(guó)海況條件，采用理論分析、時(shí)域頻域的機(jī)理研究、海上試驗(yàn)驗(yàn)證

2、和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)該裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，重點(diǎn)分析了浮體運(yùn)動(dòng)和波能轉(zhuǎn)換的機(jī)理問(wèn)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(dòng)力學(xué)理論，建立了裝置波浪運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型;引入浮體間運(yùn)動(dòng)約束方程以表示PTO系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)約束，從而將波浪中運(yùn)動(dòng)的多節(jié)浮體構(gòu)成相互連接的系統(tǒng)并使得模型可解。應(yīng)用波浪繞射理論推導(dǎo)了雙節(jié)鉸接浮體結(jié)構(gòu)物在波浪中所受的波浪激勵(lì)力和波浪激勵(lì)力矩的解

3、析表達(dá)式，并通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　基于多尺度理論，推導(dǎo)求解了多節(jié)鉸接浮體在靜水中和波浪中的垂蕩-縱搖運(yùn)動(dòng)的時(shí)域近似表達(dá)式，推導(dǎo)過(guò)程和求解結(jié)果揭示了浮體波浪運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)特性和位移、速度等的運(yùn)動(dòng)合成機(jī)理。通過(guò)對(duì)裝置PTO系統(tǒng)的影響分析，發(fā)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)，裝置的波浪能俘獲寬度比隨著PTO阻尼系數(shù)或回復(fù)彈簧彈性系數(shù)的增大而持續(xù)增大，因此，在理論上對(duì)該類裝置的PTO系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化是不可行的。PTO阻尼的非線性對(duì)浮體縱搖運(yùn)動(dòng)具有影響，波浪

4、能俘獲寬度比均隨著PTO阻尼速度指數(shù)的增加而減小。
　　根據(jù)浮體隨波運(yùn)動(dòng)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(yīng)的四元一次復(fù)數(shù)方程組，解析分析表明，各節(jié)浮體縱搖幅值相等，在運(yùn)動(dòng)上相差一個(gè)相位差。通過(guò)分析浮體幾何尺寸對(duì)裝置的共振運(yùn)動(dòng)、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(yùn)動(dòng)相位差的浮體優(yōu)化方法，求解出浮體相對(duì)于波長(zhǎng)λ的無(wú)量綱最優(yōu)尺寸分別為:最優(yōu)長(zhǎng)度LN=0.5，波浪周期T＞3.0s時(shí)，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(fēng)、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(yùn)動(dòng)的CFD數(shù)值模型。分別對(duì)波浪要素、系泊系統(tǒng)、風(fēng)、流載荷以及陣列布置對(duì)三節(jié)浮體式裝置水動(dòng)力性能的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明:在線性波條件下，裝置的兩組PTO阻尼各自的轉(zhuǎn)換功率沒(méi)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(shí)，俘獲寬度比隨著波高的增大而減小;對(duì)于本文所研究的漂浮式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，水深基

6、本不影響裝置的水動(dòng)力性能;裝置在不規(guī)則波條件下的波浪能轉(zhuǎn)換功率大約相當(dāng)于線性波條件下的38％-65％，且兩組PTO阻尼的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(wú)論是在無(wú)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(gè)裝置的中間時(shí)，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(dāng)錨素質(zhì)量較小

7、時(shí)，可提升裝置的波浪能轉(zhuǎn)換的功率;通過(guò)對(duì)風(fēng)速的影響分析，發(fā)現(xiàn)在黃渤海水域最常見(jiàn)的周期為2.5s-4.0s的波浪中，較小的風(fēng)速通常會(huì)小幅降低裝置的俘獲寬度比，較大風(fēng)速則有利于俘獲寬度比的提高;裝置在流中的運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換十分復(fù)雜，流主要通過(guò)兩個(gè)方面對(duì)波浪能轉(zhuǎn)換裝置施加影響，一是波流相互作用造成裝置的運(yùn)動(dòng)周期、幅值發(fā)生變化，該因素可通過(guò)波浪遭遇周期理論和波能流、波浪作用守恒原理進(jìn)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;