带随机载荷振荡浮子式波能转换结构的参数优化设计与功率响应分析

振荡浮子式波能转换结构是波浪能发电系统的一类核心做功单元,它的研建对于我国沿海地区发展、海洋平台建设等方面的供电瓶颈技术推进上具有重大意义.为研究其机械构型、参数设计、俘能机制,该文建立了多自由度波能转换结构耦合运动模型.通过对粒子群等智能算法进行优化,克服了多自由度迭代规模过大以及局部最优解困境等问题,丰富了算法功能,定性及定量测算了波能转换结构在二/四自由度、线性/非线性阻尼、两场景结构尺寸参数调控下的振荡及俘能效果.验证了多自由度、非线性阻尼等振控条件的俘能优势,同步探寻此类结构的动力学行为规律、参数优化设计及俘能机制高效路径.引入随机载荷以优化模型精度并做进一步探索,总结了噪声差异引致结构俘能效果的作用规律.为实际工程中波浪能转换结构的有效应用模式发展了新思路.

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。

振荡浮子式波浪能转换装置研究

在Froude数相同的情况下,取相似因子为10,对振荡浮子式波浪能转换装置进行了模型设计,并在中国科学院广州能源研究所的造波水槽中对装置做了模型试验,试验在规则正弦波浪作用下进行,实验数据由计算机采集。实验结果显示,振荡浮子式波浪能转换装置具有与常规的振荡水柱式波浪能转换装置相当的俘获宽度比,但其总转换效率较后者高很多,建造成本较低,是一种很有发展前途的波能装置。尽管装置的可靠性有所降低,但在波能密度比较低的区域,如中国,在采取有效保护措施的条件下,装置的性能不受影响。

振荡浮子式波浪能转换装置的优化计算

对振荡浮子式波浪能转换装置进行初步设计,并通过数值计算对装置结构进行优化,找出影响装置性能的主要因素,确定出在中国南海工况下装置性能最优的参数。结果显示,在中国南海常波周期5-6 s附近,前港长Lfp和浮子长Lb对装置性能影响最大,是决定装置性能的主要因素;浮子吃水深度D和港内水深Dp是影响装置性能的次要因素,通过调整这两个参数,可在局部范围内改善装置性能;等深域水深H对装置性能几乎没有影响,建造装置选址时可不考虑这方面的因素。使装置性能最优的参数取值依次为:Lfp=4 m,Lb=3 m,D=2.5 m,Dp=4.3 m。

基于ANSYS的振荡浮子式波能发电装置主体结构的应力应变分析

文章根据弗汝德-克雷洛夫假定法建立了波浪力的数学模型,利用Pro/E软件建立主体结构的三维模型,并将其导入ANSYS Workbench中。通过建立主体结构的有限元分析模型,并将波浪力模型边界条件添加至有限元模型中,从而求解主体结构在波浪力作用下的应力应变特性。分析结果表明:在文中提到的各种海况条件下,主体结构的应力应变均较小,最大应力应变区域出现在立柱两端与上下平台的连接处,实际设计及制造时需要加强强度。

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。

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.

振荡浮子式波浪能装置运动预测数值分析方法

针对振荡浮子式波浪能装置,考虑其中浮体的6自由度运动及浮子与浮体之间的相对垂荡运动,推导非线性联合运动方程。基于细长体理论对该装置在作业海况下的波浪载荷进行分析。将该数学运动模型与已有的试验数据进行对比,验证了模型和分析方法的准确性。

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Orca Flex建立了不同海况下装置在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。研究结果对海洋可再生能源研究有一定的参考价值。

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。

一种新型振荡浮子式波浪能发电装置的研究构想

波浪能是目前国内外海洋能研究的热点,我国波浪能储量丰富,开发利用潜力巨大。深入研究波能转换装置,对解决我国日益严峻的能源和环境问题具有重要意义。文中首先综述了现有的振荡浮子式波能发电装置的研究现状,并将其归类;依据现存装置的优缺点提出了一种新型振荡浮子式波能发电装置,并对其研究过程进行了详细的阐述。

振荡浮子式波能俘获装置模型试验研究

针对目前波浪能发电装置能量转化效率较低的问题,设计并制作了圆台形浮子作为能量摄取机构,采取物理模型试验方法,对浮子周围的波浪场要素、俘能系统所受水平波浪力和浮子垂向加速度等进行了同步测量,研究了入射波波高、周期和浮子初始吃水深度等因素对俘能系统工作性能的影响.结果表明:浮子系统所受水平波浪力和垂向加速度与入射波波高成正相关,与周期呈负相关;波陡一定时,适当增加浮子初始吃水对浮子系统所受水平波浪力具有正向激励作用,对浮子垂向加速度影响较小;大波高条件下,俘能装置吸收效率随波陡增加而增加;小波高时,装置吸收效率随波陡增加先增加后减小;波陡较大时,浮子入水截面半径的变化对俘能系统吸收效率影响较大;随着波陡减小,浮子浸没深度对俘能系统吸收效率影响程度增强.

振荡浮子波浪发电装置物理模型试验研究

针对中国北方海域波高小、周期短的波浪资源条件,提出一种液压式振荡浮子波浪发电装置并进行蓄能优化,通过水工物理模型全过程试验研究蓄能式振荡浮子波浪发电装置的工作性能,探讨蓄能器初始充压、释放压力对系统输出电能的影响。研究表明:蓄能机构有利于波浪能捕获存储,有助于电能的平稳输出。装置平均输出功率随初始压力的增加先增加后趋于稳定,随释放压力的增加而增加。

南海海况下振荡式波能发电装置的研究与分析

振荡浮子波浪能发电装置能量的转换效率较高,可以在不同水深条件(特别是超过40 m的深水区)下工作,南海海域属于深水区,振荡浮子波能发电装置更能较好地适应。文章在已有资料的基础上,根据线性波浪理论中随机波浪力的理论,结合南海海况,计算振荡浮子垂直方向的波浪力分布,再用AQWA模拟计算不同形状的浮子在随机波浪力下的运动与受力分析。综合以上研究得出适合南海海况的浮子形状,完成装置的初步优化,为装置的海试以及推广应用提供依据,为三沙市在海洋能(波浪能)利用方面提供参考。

阵列筏式波浪能发电系统设计与试验研究

结合点吸收式和筏式波浪能收集技术,提出一种阵列筏式波浪能发电系统。该系统可利用多组振荡浮子与漂浮平台之间的相对运动,同时收集多点波浪能,并转化为电能输出。详细叙述系统的结构和工作原理,进行系统受力和能量转化效率分析,理论计算表明单个浮子的最佳能量转化效率可达31.7%。进行实海况海试试验,通过数据分析发现,投入运行的振荡浮子数目越多,系统发电量越大,但能量转化效率越低。试验结果证明本系统原理正确,为海洋波浪能开发利用提供了一种新的方法。

内并联式TBCC进气道模态转换过程流动特性分析

针对组合动力(TBCC)进气道模态转换过程中出现的非定常气动现象,采用稳态/非稳态数值模拟方法对相关流动特性及其影响因素与流动机理开展了研究。结果表明:由涡轮发动机工作状态向冲压发动机工作模态转换过程中,进气道内出现结尾激波沿流向前后振荡现象,振荡频率约为130 Hz;当冲压流道反压引起的激波未前传至模态转换分流板前时,冲压发动机工作状态对结尾激波振荡不产生影响。在相同的发动机工作状态下,随着模态转换速度的增加,结尾激波振荡频率逐渐增大。文中研究的进气道内结尾激波振荡现象可通过亚声速管道内波的传播理论进行解释和分析。

系泊双浮体波能转换装置的水动力性能

采用理论分析和数值计算的方法对振荡浮子式系泊双浮体波能转换装置的水动力性能进行分析。利用AQWA-LINE模块建立单浮体、双浮体模型,计算得到单浮子和浮筒及二者相互耦合的水动力参数,并通过Mathematica编程迭代计算得到单浮体、双浮体波能转换装置的垂荡运动响应RAO(Response Amplitude Operator)和能量俘获宽度比。通过分析计算结果,得到能量俘获宽度比η在不同PTO(Power Take-Off)阻尼、不同非线性系数α和不同波浪频率下的变化规律。

基于GTF星型齿轮传动系统的高效能源转换装置设计与优化

当前能源转换装置正面临着能量传递损耗较大、转换效率较低等问题。基于此,研究提出了一种星型齿轮传动系统优化方法,以提高振荡浮子波能转换装置的能源输出效率。该方法通过使用刚柔耦合模型对传动系统的结构进行优化,同时还将该优化的传动系统应用在振荡浮子波能转换装置的改进中。最后研究通过对优化后的振荡浮子波能转换装置进行数值模拟得出了改进后掌指单位时间内捕获的能量达到了43.291 kW,明显高于改进前转换的能量,同时,经计算传动系统的平均能量损失率也降低了0.67%。研究提出的改进方案具有可行性。

新型数字式扫频噪声源的实现

给出一种数字式宽带扫频加窄带噪声调频噪声源的研究结果。该噪声源主要是采用单片机、高速数模转换器以及压控振荡器来实现。提出了一种新型三角波扫频的方式。通过对三角波扫频理论分析,阐明了新扫频方式比传统的锯齿波扫频速度更快,扫频频谱谱线间隔宽2^(1/2)倍的优点。在讨论了最佳干扰效果的基础上,给出了实现干扰源的硬件结构和干扰测试的分析结果。

前板可旋转的双垂板结构水动力特性的理论研究

振荡水柱波能转换装置的最大转换效率往往受到腔内水柱共振机制的直接影响。通过对装置的基本结构进行简化,提出了一种前墙可绕固定轴旋转的双垂板式结构系统,旨在通过前墙的旋转运动进一步加剧水柱的振荡,从而对腔内水柱的共振机制进行调节和控制。基于线性波理论,采用匹配特征函数展开法对波浪与双垂板结构的相互作用进行理论研究,针对流场在结构物尖角附近的奇异性特征,将公共界面上的速度分布基于切比雪夫多项式近似展开,并应用区域间的速度与压力连续条件进行求解。通过分析结构的几何参数对反射透射系数、平均波面高程、前墙旋转振幅以及前墙与水面间相位差的影响,深究其共振机理,为振荡水柱波能转换装置的效率优化机制提供理论依据。结果表明,在所研究的波浪频率范围内,前墙的自由旋转运动会加剧板间的平均波面高程,应用于波浪能转换装置中能进一步拓宽高效频率带宽。