弹性胶囊振荡水柱式波能转换装置的水动力特性研究

波浪能是一种极具潜力的可再生能源。为推进波能资源的利用,开发具有应用前景的新型波能转换装置(WEC),提出了创新性的弹性胶囊振荡水柱式(EC-OWC)波能转换装置,设计建立了物理试验模型。通过膨胀波试验,研究了弹性胶囊的膨胀特性和自由膨胀波的运动特性;通过波浪试验,研究了装置与波浪耦合作用时的水动力性能,以及波浪和模型参数对系统振荡和波高放大比的影响。结果显示:装置内外水头差由0增加至30 cm时,自由膨胀波波速由约3.02 m/s减小至1.90 m/s,与一维纵波理论结果规律相符;相对水深在0.0644~0.0782范围内时,稳定后的波高放大比基本均超过4,其中相对水深值为0.0706时达到最大波高放大比6;波高放大比随相对水头的增大先增大后减小,相对水头值为6时达到最大波高放大比6.5;波高放大比在相对管长为1.77时达到最大值6.35。结果表明:一维纵波理论可为弹性胶囊的设计提供支撑;控制水头差可有效调整装置的自然振荡周期;当装置内外振荡周期相匹配时,系统达到近似共振,装置内部膨胀波为驻波,且当胶囊长度接近半波长时,波高放大比达到最大。通过对EC-OWC模型的初步水动力性能试验研究,展示了该装置的优越性能和共振特性,可为此类WEC的开发提供参考。

梯形摆式波能转换装置水动力性能研究

基于势流理论,采用频域方法对固定梯形摆式波能转换装置的水动力性能进行研究。由于摆式波能转换装置固有周期较长,在固有周期附近辐射阻尼系数较小,故波能转换效率并不高。在线性理论下研究波能转换装置的水动力性能时通常忽略非线性阻尼的作用,当波浪周期等于装置的固有周期且负载阻尼系数等于辐射阻尼系数时可获最大的输出功率。类似于船舶横摇,对摆式波能转换装置而言有必要考虑非线性阻尼的影响,分析非线性阻尼对最佳负载阻尼系数的影响及负载阻尼系数对摇幅及波能转换效率的影响。

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。

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。

双浮子点吸收式波能转换装置参数研究

点吸收式波能转换装置是具有较好应用前景的一种波浪能开发利用装置,其参数设计直接影响到波浪能开发利用的可行性与有效性。作者针对青岛斋堂岛目标海域海况,通过数值模拟首先应用单因素敏感性分析法分析了双浮子点吸收式波能转换装置的结构尺寸、锚固形式、波流夹角、PTO阻尼、PTO刚度等参数对装置俘能功率的独立影响规律。之后考虑多参数的综合影响,通过运用稳健设计方法,以上述参数为控制因子并确定合理的变动水准,将俘能功率作为评价标准,选取合理的正交实验L矩阵,得到了不同参数组合情况下的装置俘能功率并进行统计分析。结果表明,浮子尺寸、PTO阻尼、波流夹角对装置俘能功率影响较大,而PTO刚度、锚链与铅垂线夹角、锚链与波浪在水平面内的夹角对俘能功率影响不明显。提出的参数研究方法可为其他海域点吸收式波能转换装置参数设计提供参考。

空间并联弹簧波能转换装置水动力学研究

针对波浪能转换装置(WEC)能量捕获效率问题,设计了一种含有空间并联弹簧组件的非线性动力输出系统(PTO)。基于牛顿第二定律建立了浮子垂荡运动微分方程,获得给定波浪激励下振荡浮子的运动学规律。基于入口边界法构建三维规则波数值波浪水槽,并进行了波能转换装置流固耦合动力学仿真分析,计算结果同理论模型结果一致。进一步考虑空间并联弹簧的弹性系数、空间几何夹角以及波高、波浪周期等波浪参数对装置波能转换效率的影响,获得PTO系统弹簧刚度系数的优化设计区间以及弹簧空间夹角取值区间。研究结果对非线性波能转换器的设计与优化具有重要的工程意义。

铰接柱式波能转换装置的水动力分析

铰接柱式波能转换装置是一种新型的波能转换装置，本文为该装置提出了一个合理而又便于计算的水动力学模型，并采用三维源分布法对该装置进行了水动力分析，通过与该装置的模型试验结果的比较，显示出所得的计算结果是令人满意的。

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。

摆式波能转换装置水动力特性频域分析

基于势流理论,建立波浪与摆式波能转换装置作用的三维频域分析模型。应用数值模型对两种质量的摆式波能转换装置进行水动力分析,在考虑粘性阻尼作用的条件下,计算传动系统的最优扭阻系数。在最佳工况下,开展了波浪频率对摆板运动响应和俘获能量影响的系统研究,给出了波浪最佳频率范围、摆板振幅、能量俘获效率以及摆板表面的波动压强。

船体摆式波能转换装置外形优化

为提高波能转换装置的生存能力,提出了一种新型的船体摆式波能转换装置:将所有活动部件封装在船体中,避免海水腐蚀;装置漂浮在海上,依靠船体与内部摆的相对转动转换能量,减少海工结构成本,便于拖曳回港口维修;采用液压PTO将机械能转换成电能输出。使用Fluent软件搭建数值波浪水槽,分析抛物线、双曲线、椭圆三种外形装置的水动力特性,并进行外形优化,结果表明:三种外形的船体摆式波能转换装置在波浪中均能够产生垂荡、纵荡、纵摇运动的动力,发电原理可行;船体采用不对称结构能够对波浪起到截止作用,减小能量向后辐射,光滑曲线外形可以减小旋涡造成的能量损失;椭圆形船体能够获得更大的纵摇水力矩,捕能效果更好。

加有“引浪板”的固定式气动型波能转换装置水动力性能的计算

寻找和利用新能源是目前人们普遍感兴趣的问题。海洋波浪能作为一种新的再生型替代能源正引起人们极大的注意。本文对波能转换装置中的一种——侧向开口固定式气动型波能转换装置的性能进行了理论计算,对以往常规形式的转换装置的开口形式进行了改进,加装了“引浪板”。通过理论计算证明,加装“引浪板”后,气室的转换性能有了较大的提高,找到了“引浪板”的最佳倾角,并与试验结果进行了比较。计算采用格林函数法,通过内外场的匹配求解流场。文中所用方法具有一定的普遍意义。

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。

振荡水柱式波能转换装置的未来与发展

文章就21世纪面临的能源危机为主要背景,论述了处在历史新阶段的海洋新能源中波浪能资源的重要地位,并介绍了在波浪能开发利用过程中涌现出来的众多的波浪能转换技术。以振荡水柱式波能转换装置为例,从三个不同的方面,探讨了波能转换装置实现商业化应用的未来发展之路。

振荡浮子阵列式波能转换装置水动力性能与效率研究

基于OpenFOAM开源软件,从连续性方程和NS方程出发,采用有限体积法(FVM)离散控制方程,流体体积法(VOF)追踪自由液面,采用动网格技术模拟物体在流体中的运动,研究多振荡浮子阵列式波能转换装置的水动力特性及能量转换效率.为验证OpenFOAM数值模拟结果的正确性,将基于OpenFOAM计算的单个浮体的非线性时域解与基于线性频域理论计算的稳态解进行对比.在保证对比结果基本吻合的基础上,分别针对单个浮子、双浮子阵列和三浮子阵列,研究其在不同能量输出系统阻尼、波长、波幅条件下的运动特征与能量转化效率,分析振荡浮子阵列在波浪中工作的水动力学机理和能量转化规律.

波能转换装置耦合振动非线性水动力特性研究

针对一种新型波能转换装置,开展非线性水动力特性研究。在势流理论基础上,考虑装置不规则外形(不对称,且水线面面积不恒定)与位置变化等非线性因素对回复力的影响,并引入Morison模型分析流体黏性的附加惯性力效应与阻力效应,建立包含主要的线性与非线性水动力、从波能捕获到转换全过程的非线性动力学模型。利用计算流体动力学法搭建数值波浪水槽,开展波能转换装置响应的准确模拟,并将数值波浪水槽与所提出的非线性动力学模型的结果对比,进行非线性水动力的效应研究和系数辨识。结果表明:传统线性模型造成对波能转换性能的过高估计,非线性水动力模型显著提高了自由衰减振荡、波浪-装置耦合响应等过程的计算精度;Morison模型系数在不同工况中是变化的,幅值响应因子的计算在共振频率附近对Morison模型系数的敏感性最高。研究结果可为准确、快捷地衡量波能转换装置性能提供指导。

IPS式波能转换装置实验研究

介绍了一种新型高效的IPS式波能转换装置,通过不同波况下实验装置输出功率的比较,得出了适合该装置工作的最佳入射波周期,为IPS式波能转换装置的工程应用提供了有益的参考。

震荡水柱式波能转换装置水动力性能研究

基于震荡水柱式波能转换装置的应用,主要以新能源开发为中心,所以,在注重新能源利用率提升的过程中,需要对新能源转换装置方面进行系统筹划,充分利用海洋波浪进行动能转换,是新能源开发以及新能源利用率提升的关键课题。本文重点对震荡水柱式波能转换装置的应用展开讨论,并结合海浪理论、计算原理以及波浪系统的水动力应用等方面进行系统稠糊啊,希望通过对震荡水柱式波能转换装置的水动力性能研究,可以为波浪动能以及水能源的动能转换等方面提供微薄帮助。

基于振荡浮子式波能转换装置的PTO装置设计与研究

本文主要介绍一种基于振荡浮子式波能转换装置的新型PTO装置,该装置相比现有的基于垂荡浮子的PTO能量转换装置能够更高效地摄取并利用波浪能,大大提高能量转换的效率。

振荡浮子式波浪能转换装置模型试验

讨论了一种振荡浮子式简易波能转换装置,并在华南理工大学港航实验室进行了模型试验。实验验证了该波能转换装置能量采集系统的性能稳定,在入射波激励时垂荡运动效果较好,能量转换效率较高,且该装置结构简单、建造成本较低。