振荡浮子式波浪能发电装置水动力性能研究

【摘要】：随着经济的发展,全球化石燃料日益枯竭,能源供给日益紧张,推动了海洋波浪能转换技术的发展。振荡浮子技术以其结构简单、抗风浪能力强、能量转化效率相对较高和频率响应范围宽等优点,极具开发前景。在国外,一些振荡浮子式波浪能装置已接近商业化,而国内发展相对滞后,仍在起步阶段。由于国内外海况条件差异巨大,结合我国近海波浪周期短,能量密度相对较低的特点,对振荡浮子式波浪能转换装置进行系统的自主研发是必由之路,而水动力性能研究是其中的基础性工作。本论文通过理论分析、数值计算和模型试验等研究手段,研究了振荡浮子式波浪能转换装置的水动力性能及其波浪能俘获特性。 本文首先综述了波浪能发电装置的国内外研究现状和发展趋势,重点总结了振荡浮子式波浪发电装置国内外研究进展,分析和评述了现有水动力分析模型存在的主要问题,并在此基础上提出了本文的研究内容。 根据振荡浮子式波浪发电装置的特点,分别应用一阶绕射理论和Froude-Krylov理论对浮子和浮筒进行波浪载荷分析；采用特征函数法和渐进匹配系数法求解一阶绕射速度势,得到了浮体垂荡和纵荡的波浪激励力、纵摇的波浪激励力矩的半解析表达式,并进行了编程求解；基于一阶辐射理论推导了等直径垂直圆柱浮体的垂荡、纵荡的附加质量系数和附加阻尼系数及纵摇的附加惯性矩系数和附加阻尼力矩系数的半解析表达式,并进行了编程求解。研究表明：在高频段,可应用于波浪能发电装置的水动力性能分析；同频率下充分考虑波浪绕射作用后浮子受到的垂向波浪力比不考虑波浪绕射时的计算结果偏低,更符合实际情况；同频率下浮筒受到的垂向波浪力仅有浮子受力的5%,浮筒的垂荡幅值是浮子垂荡幅值的1/9～1/7,揭示了振荡浮子式波浪能装置的发电机理。 以水动力分析为基础,建立了浮子与浮筒的频域耦合运动方程,获得了振荡浮子式波浪能转换装置系统的频率响应函数,推导了波浪能转换系统在规则波下的俘获功率和能量俘获宽度表达式；通过频域模型研究了浮子质量、浮筒质量、浮子吃水深度、外部阻尼系数等因素对能量俘获宽度的影响。研究表明：浮子与浮筒的质量比为0.14时,装置的能量输出最大；相同结构尺寸的浮子,吃水浅的浮子俘获功率和能量俘获宽度更大；液压系统阻尼对能量输出系统的影响最大,同一装置在低频段,系统阻尼越大俘获能量越多,在高频段系统阻尼对俘获功率的影响相对较小。 基于上述理论与分析,利用相似准则,按照10：1的缩尺比设计了物理模型,并在航模拖曳水池开展了模型试验研究,揭示了发电系统的阻尼、波浪的波高、周期、浮子与浮筒质量比例关系、浮体的直径等因素对装置水动力性能影响规律；模型试验结果与理论分析结果一致,进一步验证了理论分析的正确性。 【关键词】：波浪能转换装置 水动力分析 特征函数法 渐进匹配系数法 能量俘获宽度
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM612
【目录】：

• CONTENTS8-11
• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 绪论16-38
• 1.1 概述16-17
• 1.2 波浪能分布17-19
• 1.2.1 全球波浪能资源分布17-18
• 1.2.2 我国波浪能分布18-19
• 1.3 振荡浮子式波浪能转换装置国内外研究现状19-25
• 1.3.1 国外研究现状21-24
• 1.3.2 国内研究现状24-25
• 1.4 水动力分析方法研究现状25-33
• 1.4.1 波浪载荷计算理论25-26
• 1.4.2 水动力分析解析法26-27
• 1.4.3 水动力分析频域边界元法27-29
• 1.4.4 水动力分析时域边界元法29-31
• 1.4.5 水动力分析基于N-S方程的计算方法31-32
• 1.4.6 水动力分析方法比较32-33
• 1.5 存在的主要问题及发展趋势33-35
• 1.5.1 振荡浮子式波能转换装置存在的主要问题33-34
• 1.5.2 振荡浮子式波能转换装置的发展趋势34-35
• 1.6 论文的主要研究内容及总体框架35-38
• 1.6.1 课题研究内容35-36
• 1.6.2 论文总体框架36-38
• 第二章 运动模型的建立38-48
• 2.1 概述38
• 2.2 计算坐标系建立38-39
• 2.3 运动模型的建立39-41
• 2.3.1 基本假设39-40
• 2.3.2 运动方程的建立40-41
• 2.4 浮子频域运动方程41-43
• 2.5 浮子与浮筒耦合频域运动方程43-44
• 2.6 波浪激励力和水动力系数44-45
• 2.7 本章小结45-48
• 第三章 基于绕射理论的波浪载荷分析48-74
• 3.1 概述48
• 3.2 绕射问题的理论基础48-50
• 3.3 速度势求解50-61
• 3.3.1 内域1中的速度势求解51-54
• 3.3.2 外域2中的速度势求解54-61
• 3.4 波浪激励力和力矩的计算61-63
• 3.5 关于方程中待定项的计算63-66
• 3.5.1 关于方程k_0、k_q以及Bessel函数及其导数的计算63-65
• 3.5.2 关于系数A和B的求解65-66
• 3.6 浮筒波浪载荷计算66-70
• 3.6.1 Froude-Krylov理论66-67
• 3.6.2 基于F-K理论的浮筒波浪力计算67-70
• 3.7 波浪载荷数值计算70-72
• 3.8 本章小结72-74
• 第四章 基于一阶辐射理论的水动力系数分析74-90
• 4.1 概述74-75
• 4.2 基本方程75-76
• 4.3 辐射速度势的求解76-78
• 4.4 一阶辐射力及水动力系数求解78-82
• 4.5 待定系数求解82-85
• 4.6 水动力系数数值计算85-89
• 4.7 本章小结89-90
• 第五章 基于垂荡耦合运动的水动力性能数值研究90-114
• 5.1 概述90
• 5.2 装置水动力性能频域模型90-93
• 5.2.1 装置主体参数90-91
• 5.2.2 浮子与浮筒耦合运动频域模型91-93
• 5.3 装置水动力参数数值计算93-100
• 5.3.1 海洋环境参数93
• 5.3.2 浮子水动力性能分析93-97
• 5.3.3 浮筒水动力性能分析97-100
• 5.4 装置参数对水动力性能的影响100-111
• 5.4.1 浮子质量对装置能量俘获的影响100-104
• 5.4.2 浮子吃水线对装置能量俘获的影响104-108
• 5.4.3 外部阻尼对装置能量俘获的影响108-111
• 5.5 本章小结111-114
• 第六章 装置水动力性能物理模型试验研究114-142
• 6.1 概述114
• 6.2 相似准则及坐标系114-116
• 6.2.1 相似准则114-115
• 6.2.2 试验坐标系定义115-116
• 6.3 试验装置及设备仪器116-119
• 6.3.1 试验水池116-117
• 6.3.2 数据测量采集系统117-118
• 6.3.3 装置模型118-119
• 6.4 试验模型安装119-122
• 6.4.1 模型布置119-120
• 6.4.2 系泊系统连接120-122
• 6.5 试验工况122-125
• 6.5.1 波浪条件122-124
• 6.5.2 试验模型参数条件124-125
• 6.6 试验过程及数据分析125-139
• 6.6.1 试验数据采集125-126
• 6.6.2 试验数据分析126-139
• 6.7 本章小结139-142
• 第七章 结论与展望142-146
• 7.1 研究内容及结论142-144
• 7.2 创新点144
• 7.3 研究展望144-146
• 参考文献146-154
• 攻读博士学位期间取得的学术成果154-156
• 致谢156-158
• 附表158

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