岸式振荡水柱波能装置的水动力性能研究

发布时间：2020-06-02 21:01

【摘要】：发展可再生能源实现人类社会的可持续发展已成为当今世界共识。浩瀚的海洋拥有丰富的可再生能源,而波浪能作为海洋能的一种,其能流密度高、储量巨大,是一种优质的可再生能源。振荡水柱(OWC)波能装置由于其结构形式和机械性能简单、可靠性高等优点而成为世界上应用最广泛的波能装置。然而,关于OWC波能装置的水动力性能仍有许多问题需要进行深入、系统的研究,如波浪非线性和粘性效应对装置水动力性能的影响规律尚不明确、关于装置生存能力的研究尚为欠缺等;另外,传统的单气室OWC波能装置还存在能量转换效率低、有效频带宽度较窄等问题,装置的结构也需要进一步优化。本文主要通过数值模拟和物理模型试验相结合的方法对OWC波能装置的水动力性能展开研究和优化,以期提高OWC波能装置的能量转换效率和生存能力,主要研究内容如下:(1)建立了能模拟OWC波能装置水动力过程的完全非线性势流时域数值模型。在气室内的自由水面边界条件引入修正阻尼,等效装置前墙附近流动分离和涡旋脱落等粘性效应。采用该模型分别对单气室和双气室OWC波能装置的水动力过程进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验结果进行对比验证。结果表明该数值模型能准确模拟OWC装置气室内、外波面变化和气室内气体压强变化,能够准确对OWC波能装置的能量转换效率进行预报。(2)针对OWC波能装置的受力特点,引入修正阻尼和气体压强,对伯努利方程进行了修正。在通过物理模型试验数据验证后,利用修正的伯努利方程对单气室和双气室OWC波能装置受波浪荷载情况进行了模拟计算,探明了波浪要素和气室几何参数等对OWC波能装置上波浪荷载的影响规律,克服了物理模型试验只能测得有限离散点压力数据的缺点。(3)开展物理模型试验对单气室OWC波能装置的水动力性能进行了研究。系统地探讨了波浪要素、气室几何参数(气室宽度、前墙吃水、气孔直径)和海底地形对OWC波能装置能量转换效率的影响。揭示了波浪要素和气室几何参数等对OWC波能装置能量转换效率的影响规律。在此基础上,首次对岸式双气室OWC波能装置的水动力性能进行了系统的试验研究。探明了波浪要素、气室宽度比、气室墙体吃水等参数对双气室OWC波能装置水动力性能的影响规律。研究表明,相对于单气室结构,双气室结构的OWC波能装置不仅能提高OWC波能装置的能量转换效率,而且还能增大装置的有效频带宽度,为OWC波能装置的进一步优化奠定了基础。(4)采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法,分析了波浪非线性和粘性效应对单气室OWC波能装置水动力性能的影响。研究发现:波浪非线性加强了气室外侧波浪的反射和基频波能量向高阶谐波的转移,由于高频波透射能力弱,其能量未能进入气室而降低了OWC波能装置的能量转换效率;粘性效应对装置能量转换效率的影响在装置共振频率时最为显著,因此,在共振频率下时,能量转换效率随入射波幅的增大下降得最快;粘性对OWC装置气室墙体外侧波浪力的影响大于对其内侧波浪力的影响。
【图文】：

示意图,波浪能,年平均,全球

１．２波浪能开发现状分析逡逑波浪能是一种最显著的海洋能，具有可观的发展前景。关于波浪能转换装置的首项逡逑专利记录是在１７９９年，作者是法国一对名为Ｇｉｒａｒｄ的父子ＭＬ邋１９７３年爆发的石油危机逡逑使得人们开始关注可再生能源，，这对波浪能的发展起到了很大的推动作用。１９７４年爱丁逡逑堡大学的ＳｔｅｐｈｅｎＳａｌｔｅｒ在《自然》杂志上发表了一篇题为“波浪能”的文章［１６］，使得波逡逑浪能引起了全世界科学界的关注，对波浪能发展具有里程碑意义［１７］。据统计，关于波浪逡逑

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逦大连理工大学博士学位论文逦逡逑岛建的装机容量为７５邋ｋＷ的小型岸式ＯＷＣ波能发电装置［３Ｇ］。直到１９９１年欧盟把波浪逡逑能作为他们可再生能源研发项目之一，欧洲国家对波浪能的研宄从基础研宄、结构设计逡逑到建设才重新焕发活力。之后，建成了多座波力发电站，著名的有１９９９年建成的葡萄逡逑牙Ｐｉｃｏ岛４００邋ｋＷ邋ＯＷＣ波力发电装置［３｜］（见图１．３（ａ）），该装置一直运行直到２０１８年逡逑４月１７日在一场大风暴中倒塌（见图１．３（ｂ）），才因安全问题要进行维修，退出电网阳，逡逑３３］；邋２０００年建成的英国苏格兰Ｉｓｌａｙ岛５００邋ｋＷ的ＬＩＭＰＥＴＯＷＣ波力发电装置［３４］。２００８逡逑年西班牙Ｍｕｔｒｉｋｕ港建成了与防波堤集成的ＯＷＣ波力发电装置［３５］。基于与防波堤结合逡逑的理念，意大利学者Ｂｏｃｃｏｔｔｉ提出了邋Ｕ型ＯＷＣ波能装置的概念ｔ３６，３７］。意大利于２０１２逡逑年开始在Ｃｉｖｉｔａｖｅｃｃｈｉａ港建立了一座Ｕ型ＯＷＣ波能转换装置［３８］。逡逑其他一些沿海国家也积极投入到波浪能开发利用当中，比如澳大利亚曾准备建造一逡逑座１邋ＭＷ的大型固定式ＯＷＣ波能发电装置ＧｒｅｅｎＷＡＶＥ，但在安装运输过程中出现了逡逑事故，导致安装失败。逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P743.2

【参考文献】