浮力摆式波浪能装置的水动力性能研究

【摘要】：目前海洋波浪能开发备受关注,在众多的波浪能利用技术中,浮力摆技术的频率响应范围宽、转换效率较高、抗浪能力强、可扩展性好,因而极具开发前景。在国外,某些浮力摆式波浪能装置已接近商业化,而在国内,浮力摆装置的研发却相对滞后。由于海况条件的巨大差异,为将浮力摆式波浪能利用技术成功应用于我国,结合我国的实际情况进行系统地自主研发是必不可少的,而水动力性能研究是其中的基础性工作。考虑到我国日常波浪较小、极端天气较频繁的海况条件,波浪能装置的水动力性能研究就显得尤其重要。 本文针对我国海况条件,采用理论分析、数值模拟和模型实验相结合的方法,系统地研究了浮力摆式波浪能装置的水动力性能,着重分析了PTO阻尼特性和参数变化对装置水动力性能的影响。 基于线性波理论推导了波浪对浮力摆作用的二维解析解,采用解析解研究了浮力摆装置的基本动力特性,分析了水深、板宽、板厚、板密度等参数对装置水动力性能的影响。研究表明：二维情况下,浮力摆装置的最大俘获宽度比为50%,水深对装置水动力性能的影响较大,板厚和密度的影响较小。当PTO阻尼采用低频辐射阻尼时,装置的俘获宽度比与满足阻尼匹配条件的情况下基本相同,当采用的PTO阻尼与低频辐射阻尼值差别较大时俘获宽度比显著降低。 采用频域势流模型,分析了水深、板宽、板厚和板密度4个参数对装置水动力性能的影响,着重讨论了波周期5.0s左右的情况,针对两种典型阻尼条件进行了对比分析。通过解析方法讨论了摆板密度对装置水动力性能的影响,提出了最佳密度的概念,给出了存在最佳密度的频率区间,并针对我国的典型海况进行了装置水动力性能的简要优化分析。研究表明：对于日常周期5.0s左右短波海况,应尽可能提高装置在小于固有周期的波周期范围的水动力性能；对于日常周期6.0s以下的短波海况,为了使装置具有良好的水动力性能,PTO阻尼采用周期5s对应的最佳线性阻尼是一个比较理想的选择；在各工况全部采用周期5.0s的最佳阻尼的情况下,水深越大,转换功率和俘获宽度比的峰值越小,板宽对装置水动力性能影响较小,板厚增加装置水动力性能提高。对于水深5.0m、波周期5.0s的海况条件,在采用最佳线性PTO阻尼的情况下,装置的优化宽度可取8.0m,优化厚度可取1.6m,并应尽量减小摆板密度。 采用时域势流模型分析了恒定PTO阻力矩(一种典型的非线性阻尼)条件下浮力摆装置的水动力性能,并简要分析了浮力摆的受力情况。研究表明,采用线性阻尼时浮力摆的动力响应更加规则、平稳,而采用较大的恒定阻力矩时浮力摆的动力响应呈现出明显的不规则现象；线性PTO阻尼和恒定PTO阻力矩两种情况下,装置水动力性能受摆板参数的影响情况类似,波浪和摆板参数相同时装置的最高俘获宽度比基本相同。水深5m、入射波周期为4.0s-11.5s的情况下,采用宽8m、厚1.6m、密度300kg/m3浮力摆,TPTO=0.4～0.6Tex时,装置的转换功率在25kW-60kW之间,俘获宽度比在0.6-1.0之间。 研制了浮力摆装置的物理模型,首次采用磁粉制动器模拟波浪能装置的PTO阻尼。通过大比尺水槽试验分析了浮力摆的固有周期、波能功率的非线性影响、PTO阻尼特性等,研究了规则波条件下浮力摆摆幅、转换功率和俘获宽度比随波况、激磁电流的变化情况,讨论了波幅、水位变化和摆板密度对装置水动力性能的影响,并简要分析了不规则波条件下装置的水动力性能以及摆板表面波压力的情况。研究表明：试验波面的非线性对波能功率的影响不大；PTO阻力矩的模拟结果与恒定阻力矩存在较明显差别,波周期对装置的PTO阻尼特性和浮力摆摆幅有着显著影响；根据试验结果,在周期5.0s、波幅0.34m的原型海况条件下,激磁电流为0.6A时,装置的转换功率约为14kW,俘获宽度比约为60%。波周期和激磁电流相同时,波幅增加装置的水动力性能降低,水深减小水动力性能小幅提高。摆板密度对水动力性能影响的试验验结果与频域数模结果一致。 【关键词】：波浪能装置 浮力摆 水动力性能 解析解 频域模拟 时域模拟 物理模型实验 最佳密度 线性POT阻尼 非线性PTO阻尼
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P743.2
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-10
• ABSTRACT10-14
• 1 绪论14-31
• 1.1 课题研究的背景和意义14-17
• 1.1.1 研究背景14-17
• 1.1.2 课题研究的意义17
• 1.2 波浪能利用技术现状17-27
• 1.2.1 振荡水柱技术18-21
• 1.2.2 筏式技术21-22
• 1.2.3 收缩波道技术22-23
• 1.2.4 点吸收(振荡浮子)技术23-24
• 1.2.5 鸭式技术24
• 1.2.6 摆式波浪能利用技术24-27
• 1.3 摆式波浪能装置水动力性能研究现状及存在的问题27-29
• 1.4 本文的主要研究内容29-31
• 2 装置水动力性能二维解析研究31-43
• 2.1 水动力性能二维解析的推导31-36
• 2.1.1 浮力摆摆幅的解析解推导31-34
• 2.1.2 装置的水动力性能34-35
• 2.1.3 浮力摆装置的最佳阻尼35-36
• 2.2 浮力摆装置的基本动力特性36-39
• 2.2.1 附加惯性矩和辐射阻尼36-37
• 2.2.2 固有周期37
• 2.2.3 摆板表面的动水压强和激振力矩37-38
• 2.2.4 浮力摆摆幅38-39
• 2.3 装置水动力性能的参数影响分析39-42
• 2.3.1 水深(摆板高度)对装置水动力性能的影响39
• 2.3.2 摆板厚度对装置水动力性能的影响39-40
• 2.3.3 摆板密度对装置水动力性能的影响40-41
• 2.3.4 采用恒定的线性PTO阻尼的情况分析41-42
• 2.4 本章小结42-43
• 3 装置水动力性能三维频域研究43-64
• 3.1 频域模型方法43-50
• 3.1.1 刚体运动方程43-44
• 3.1.2 控制方程和边界条件44-46
• 3.1.3 积分方程及其离散46-47
• 3.1.4 频域内满足自由水面条件的格林函数47
• 3.1.5 波浪力及水动力系数计算47-48
• 3.1.6 高阶边界元数值方法求解频域积分方程48-49
• 3.1.7 浮力摆装置的水动力性能49-50
• 3.2 模型验证和装置的基本动力特性50-54
• 3.2.1 水动力系数和激振力矩的验证50-51
• 3.2.2 系统阻尼特性的验证51-52
• 3.2.3 固有周期52
• 3.2.4 激振力矩和摆幅52-53
• 3.2.5 最佳阻尼53-54
• 3.3 装置参数对水动力性能的影响54-61
• 3.3.1 水深(摆板高度)对装置水动力性能的影响55-56
• 3.3.2 摆板宽度对装置水动力性能的影响56-58
• 3.3.3 摆板厚度对装置水动力性能的影响58
• 3.3.4 摆板密度对装置水动力性能的影响58-61
• 3.4 装置水动力性能的优化分析61-62
• 3.4.1 摆板宽度的优化61
• 3.4.2 摆板厚度的优化61
• 3.4.3 摆板密度的优化61-62
• 3.5 小结62-64
• 4 装置水动力性能三维时域研究64-86
• 4.1 时域模型方法64-66
• 4.1.1 运动方程64-65
• 4.1.2 迟滞函数和时域附加惯性矩的求解65-66
• 4.2 时域模型验证66-68
• 4.3 装置水动力性能的时域分析68-83
• 4.3.1 浮力摆运动过程分析68-71
• 4.3.2 装置转换功率、俘获宽度比分析71-78
• 4.3.3 非线性阻尼下摆板参数影响分析78-83
• 4.4 浮力摆受力情况分析83-85
• 4.5 本章小结85-86
• 5 装置水动力性能物理模型试验86-132
• 5.1 试验装置86-97
• 5.1.1 试验水槽86
• 5.1.2 装置模型86-94
• 5.1.3 量测和数据采集系统94-97
• 5.2 试验内容和试验过程97-103
• 5.2.1 试验内容97-98
• 5.2.2 试验过程和试验工况98-103
• 5.3 试验结果分析103-130
• 5.3.1 波面、PTO阻尼和摆板摆角的时间序列分析103-109
• 5.3.2 装置转换功率的计算方法109-110
• 5.3.3 摆板前后波态分析110-112
• 5.3.4 自由摆动试验结果分析112-113
• 5.3.5 平均水位、摆板无充水状态试验结果分析113-117
• 5.3.6 波幅对装置水动力性能的影响分析117-118
• 5.3.7 水位变化对装置水动力性能的影响分析118-119
• 5.3.8 摆板密度对装置水动力性能的影响分析119-121
• 5.3.9 不规则波条件下装置水动力性能分析121-125
• 5.3.10 摆板表面波压力分析125-130
• 5.4 本章小结130-132
• 6 结论与展望132-136
• 6.1 主要结论132-133
• 6.2 创新点133-134
• 6.3 研究展望134-136
• 参考文献136-141
• 攻读博士学位期间取得的科研成果141

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