滑杆浮子式波浪能装置水动力性能的试验研究

本文针对我国能流密度的特点,设计了一种滑杆振荡浮子式波浪能装置,该装置由浮子、滑杆、底座、能量转换系统组成,结构简单,维护方便,成本低廉。为研究此装置的水动力性能,先后在二维、三维水槽中开展了物模试验。本文介绍了装置的整体设计,检测了不同波高、不同周期的入射波作用下,模型在不同负载下获得的液压能,通过数据分析与统计获得模型的俘获宽度比和负载曲线,并通过与普通浮子物模试验的试验数据比较,得出该滑杆浮子式波浪能装置拥有较高的俘获宽度比并具有良好的水动力学性能的结论,明确了浮子质量、入射波波高、入射波周期和负载是决定装置水动力学性能的关键。     

球体波能转换装置捕获能量的理论研究

球体波能转换装置在波浪的激励下可以同时在水平和竖直两个模式振荡。基于线性微幅波浪和势流理论,将波浪与球体相互作用简化为球体固定不动,波浪绕过球体和球体在静止流体中运动。线性叠加以后得到总的速度势,计算出球体波能转换装置的平均功率和能量俘获宽度因子的解析表达式。理论研究表明:装置与波浪运动的相位差是影响波能的最重要的参数,最优相位差为-π/2,并且给出了最优相位差调节的理论表达式。另外,对波长、波幅、球体半径、水深和球心距静水面的距离等因素也进行了分析。     

阵列振荡浮子式波能转换装置试验

本文介绍了一种阵列振荡浮子式简易波能转换装置,试验证明了该波能转换装置在没有进行二次转换的情况下,不仅保证了波能采集系统的性能稳定性而且提高了能量转换效率,为振荡浮子式波能转换装置的工程应用提供了有益的参考。     

波流联合作用下振荡浮子式波浪发电机动力学分析

参考某型振荡浮子式波浪发电装置的具体参数,结合该装置工作过程,使用水动力分析软件OrcaFlex建立了在不同海况下装置工作过程中的动力学分析简化模型,分析了流、波以及波、流联合作用对振荡浮子式波浪发电装置张力、弯矩沿缆长方向的变化规律以及装置能量转换效率的影响。结论对海洋可再生能源研究有一定的参考价值。     

月池对振荡浮子式波能装置转换效率的影响

为了提高波能装置转化效率,提出了一种新的基于月池结构的振荡波能装置模型.基于势流理论,建立了振动浮体的一维频域运动方程,根据振动特性,分析了最佳弹簧刚度系数及最优输出阻尼,得到了波能装置最优效率表达式.结合复杂流场边界条件,基于特征函数展开匹配法,研究了各子域的速度势函数表达式,得到了振荡浮子的附加质量、阻尼系数及波浪激励力的表达式.为了得到月池结构对转换效率的作用并消除尖端共振带来的影响,计算了振荡圆盘在有无月池结构下的转换效率比.数值结果表明:在有效频率范围内,月池对振荡浮子获能效率有较大的提升作用;增大月池外部半径或减小内部半径时,装置低频部分有效频率范围增大,而高频部分有效频率范围上下限均发生变动.     

鹰式波浪能发电装置外形优化设计

鹰式波浪能发电装置的外形对提高俘获效率有重要影响。该装置由鹰式吸波浮体、半潜驳载体和液压式能量转换系统这3部分组成。论文对半潜驳载体设计了4种外形方案,通过力学分析,建立运动方程,并开展了不同海况下的数值计算,获得各个方案下装置的最优俘获宽度比和能量转换系统阻尼。研究结果表明,根据鹰式波浪能发电装置投放地点珠海万山海域的海洋环境波浪能特性,采用带有挡浪墙、导浪凸台部件的组合方式,具有俘获效率高的优点和极端海况下的自我保护功能。     

振荡浮子式波能发电浮堤一体化装置性能研究

文章提出一种带消波水道的方箱型浮式防波堤与振荡浮子式波浪能发电一体化装置概念设计方案,应用ANSYS Fluent软件,通过锚泊线准静态法、多体耦合动力学理论与Newmark-β法对一体化装置进行耦合水动力计算,分析不同阻尼及水道构型参数对集成系统消波与俘能效率的影响.结果 表明,在阻尼选取区间内,线性等效电磁阻尼的俘能效率整体上大于Coulomb等效液压阻尼,增加浮子质量或增加线性阻尼系数,均可提升一体化装置的俘能效率,而对消波性能影响甚微.减小出口宽度,对俘能效率的提升有利并能提升消波性能.当消波水道入口完全浸没于水下时,俘能效率相对更高,消波效果更优.这种新颖的一体化装置构型为后续相关的消波与波浪能转换耦合水动力模型研究提供了思路与借鉴.     

水上机场助航波能灯浮标的波能俘获优化

[目的]为了对水上机场波能灯浮标进行设计优化,以工作于沿海水上机场的阵列式助航波能灯浮标为研究对象,提出一种小型阵列式浮标的优化设计方法。[方法]基于三维势流理论,计算浮标的垂荡运动响应,在满足最佳能量转换部分(PTO)阻尼匹配的情况下,得到使能量俘获宽度比最大的浮标直径吃水比和浮标间距,然后对单个浮标的能量俘获进行短期预报,并在此基础上结合实际海况对阵列式浮标的能量俘获进行长期预报,分别讨论浮标直径、吃水和浮标间距对阵列式浮标能量俘获的影响。[结果]结果表明,当单个浮标直径吃水比为2.4~2.6时,能量俘获宽度比最大;阵列浮标间距越小,阵列式助航波能灯浮标的能量俘获宽度比越大。[结论]所做的工作可为阵列式波浪能发电装置的设计优化提供一定的参考和建议。     

U型OWC气室结构参量数值模拟研究

振荡水柱波能发电装置(OWC)是一种在世界上被广泛应用的波浪能发电装置。研究发现U型振荡水柱装置比传统的振荡水柱装置拥有更高的捕能效率。U型振荡水柱装置(U-OWC)由传统的振荡水柱结构以及在来浪方向的U型导管组成,气室通过U型导管与外界波浪场连通。由于U型导管的存在,在相同的波浪条件下相较于传统的振荡水柱装置U型振荡水柱装置拥有更大的特征周期以及压力波动,这使其能更大程度上吸收入射波的能量。U型气室的结构参数,例如相对宽度对装置的性能有很大的影响。本文采用了计算流体力学商用软件Fluent,基于两相流流体体积法(VOF)构建了数值波浪水槽,探究了气室内自由表面变化、气室内压强以及气室顶端的气流速度并以此优化U型气室结构的设计。研究同时还得到了相对宽度对气室捕能性能的影响结果,对进一步的设计与研究提供了参考。     

共轴双柱式波能装置水动力及能量转换特性研究

为解决波能转换装置向深水环境推进过程中存在的系统稳定性和能量转换效率问题,借鉴海洋工程中常用的稳性辅助构件形式,在现有的点吸式波能装置基础上引入阻尼板.基于线性微幅波假设,通过特征函数展开和边界匹配的势流半解析方法,结合多自由度振动理论,探索阻尼板的存在及其构型参数变化对获能系统水动力、运动响应及能量转换效率的影响.计算结果表明,阻尼板会降低浮子受到的波浪激励力,阻尼板与浮子间的相互作用水动力大于浮子自身运动受到的水动力,且主要体现在惯性载荷部分;阻尼板会使系统出现两个耦合共振频率,且新出现的共振频率对阻尼板半径更加敏感,在较小共振频率处的最优波能转换效率均随着阻尼板半径和浸没深度增加先增大后减小.研究结果可为深水波浪能利用的工程应用提供理论基础,为后续振荡浮子波浪能发电装置优化提供依据.     

液压作用下的振荡浮子波能装置物理模型试验设计

波浪能发电装置的研发是海洋工程、机械工程、自动化工程等多学科的综合应用,对于振荡浮子波能发电装置,浮子在波浪和液压系统共同作用下的运动机理仍待深入研究。本文介绍了液压作用下的振荡浮子波能发电装置物理模型试验系统设计,拟通过水工物理模型试验的方法,利用数据采集及控制系统同时监测波浪场、浮子运动、液压系统性能及发电功率输出情况,构建波能发电装置各环节耦合联动的全过程模型。     

"海大1号"摇臂式波浪发电装置水动力性能研究

浮子的水动力性能是影响波浪发电装置一级能量转换效率的重要因素,为了提高浮子的取能效率,开展浮子的水动力性能研究非常必要.文章以自主研发的"海大1号"摇臂式波浪发电装置为研究对象,基于三维势流理论,推导出浮子在线性规则波作用下的的运动方程,并利用CFD水动力仿真软件分析了不同形状浮子的水动力性能,从而确定了浮子的最优形状;在最优浮子形状的基础上,进一步研究了波长与浮子尺寸关系对浮子水动力性能的影响;用1:1物理模型试验验证了仿真试验结果的正确性,并测得不同波长与浮子尺寸比下浮子的取能效率;最后得出结论:浮子的最优形状为圆柱体+球的混合体,波长与浮子之间的最优关系是波长与浮子尺寸之比为4,此时浮子的水动力性能最佳.文中得出的浮子水动力性能研究结论可为其他波浪发电装置提供参考,具有很好的工程应用价值.     

多自由度轴对称型波能转换装置水动力性能研究

提出了由垂直轴对称浮体和铰接动力输出(PTO)管组成的多自由度波能转换装置,垂向动力输出机构安装在PTO管内,在波浪作用下浮体可沿PTO管滑动。应用线性势流理论建立该波能转换装置的水动力分析模型,并简化为浮体垂荡、浮体及PTO管相对于铰接点的纵摇和横摇3个单自由度运动方程。为了验证计算模型的正确性,在随浪工况下将各单自由度频域计算结果与基于AQWA-NAUT时域计算结果进行了比较。点吸收装置通常利用海浪作用下浮体相对于固定框架或水下物体的垂荡运动获取能量,其能量俘获带宽相对较窄,而论文提出的新型波能转换装置可俘获浮体多个自由度方向的能量。研究表明,相对于垂荡单自由度点吸收装置,新型多自由度轴对称型波能转换装置可提高波能俘获效率及能量俘获带宽。     

中长周期波浪条件下船舶航迹带宽度研究

针对现行《海港总平面设计规范》中航迹带宽度计算在中长周期波浪条件下存在的不足,对比分析国外航道规范中的研究成果,并通过船舶操纵模拟试验等技术手段,运用船舶外缘包络线法统计分析了不同航速、不同吨级的散货船在各种中长周期波工况下的航迹带宽度,给出了中长周期波浪条件下的波浪附加宽度参考值,并与国外规范中的设计取值进行了对比。     

内部摆式波能转换装置的水动力特性分析

文中基于势流理论分别建立了内部摆式波浪能量转换装置的频域和时域分析模型。文中模型可以求解装置运动过程和能量俘获效率。应用频域分析模型,开展了活塞阻尼、活塞刚度、线性系泊刚度和波浪频率对俘获能量影响的系统研究,给出了波能转换装置的最优参数范围。对于满足线性约束下的小幅度运动装置,开展了时域模型和频域模型的对比计算研究。通过对比时域模型和频域模型的运动幅值计算结果,验证了两模型的一致性和正确性。     

基于Workbench的双浮体波能捕获装置建模与仿真研究

针对目前各种波浪能发电装置中存在的可靠性低、寿命短、建造维护难等问题,结合我国大部分海域低能流密度的现实,介绍一种以双体船为载体、以陀螺浮子捕获波能的振荡浮子式发电装置。以Workbench为平台,首先完成几何建模及网格划分,然后分别在FLUENT和ANSYS中完成流体分析与结构分析,得出了不同底圆半径的陀螺浮子在水流水平和竖直冲击下的受力和变形,以此为依据判断其对波浪的适应性、功率特性以及效率特性。通过数值模拟研究,遴选影响浮子受力和变形的关键参量,为该类浮子的实用化设计提供依据。仿真结果表明,选择陀螺形浮子作为试验平台波浪能捕获装置是非常合理的。     

鹰式波浪能发电装置水动力学性能分析及优化

根据牛顿第二定律,对鹰式波浪能装置多个浮体进行了力学分析,基于微波理论,通过每个浮体之间三种模态的运动耦合,建立了流体力、阻尼力、铰接力、静水回复力等内外力之间的力学方程组。通过以运动浮体为边界条件求解多个浮体的水动力学参数,代入方程组中计算求得最优外加阻尼和最优俘获宽度比,从而优化设计方案,得到此时各浮体在纵荡、垂荡和纵摇三种运动模态下的位移幅值,以及阻尼力、铰接力、液压缸运动速度等相关参数。研究成果为鹰式波浪能装置的设计及制造提供了理论参考和依据。     

U型振荡水柱波能发电装置波浪力试验研究

U型振荡水柱波能发电装置(U型OWC)最早由意大利学者Boccotti于2002首次提出,到目前为止相关研究只有不到20年的时间。目前关于U型振荡水柱波能发电装置的研究重点还是放在装置的一级、二级能量转换效率上,对结构受力的相关研究较少。本文以U型OWC波能发电装置为研究对象,通过物理模型水工试验的方法对装置受到的波浪力进行研究分析。重点研究了装置前挡板在不同的波浪要素下,不同结构参量的变化对装置受力的影响。     

基于联合仿真的波浪能发电装置PTO系统参数优化研究

PTO(power take-off)系统是波浪能发电装置（wave energy converter, WEC）的重要组成部分。本文针对摇臂式波浪能发电装置,提出一种机械式PTO系统,考虑发电机负载与机械传动的影响,开展摇臂浮子水动力性能与PTO系统的联合仿真研究。分析摇臂浮子在不同行程工作模式下的运动响应,并对联合仿真模型的PTO系统参数进行优化。研究发现：在目标海况下,本项目设计的发电装置,双行程工作的WEC系统功率显著高于单行程工作状态,双行程WEC最佳功率对应的传动比约为72.5;单行程工作的摇臂浮子在低传动比（小于60）下的上升、下降功率近乎相等,随着传动比的增加,上升、下降行程的功率相较于双行程模式都分别递增,且下降行程功率大于上升行程功率。本文采用的联合仿真方法可为不同海况与各类振荡浮子式波能发电装置的设计与选型提供参考。     

含机械整流动力输出之多自由度波能转换装置的水动力性能

为提高波能俘获效率，提出了一种由固定平台、垂直轴对称浮体、管状结构和三个动力输出（PTO）机构组成的多自由度波能转换装置，其中管状结构与固定平台之间采用万向接头连接，浮体与管状结构间采用运动导向机构连接使两者具有相同的纵摇和横摇运动，浮体沿管状结构滑动的能量俘获采用机械整流PTO系统使与之连接的发电机实现单向旋转，其余两个PTO安装在铰接轴处；利用势流理论建立了该装置水动力分析的时域计算模型，其中静水力和Froude-Krylov力采用沿浮体静浮时湿表面积分的线性和沿瞬时湿表面积分的非线性两种方法分别计算；为考虑可能出现的大幅纵/横摇运动的影响，垂向机械整流PTO负载力分解到纵荡、横荡和垂荡方向时不作线性化处理；分析了随浪规则波作用下，波高、垂向PTO和纵摇PTO阻尼系数的影响。结果表明：在相同参数下采用非线性方法所得垂向PTO的波能浮获效率及装置总效率均小于线性方法所得结果，而纵摇PTO的波能浮获效率则大于线性方法结果；波高越大，两种方法所得结果之间的差值越大。