基于MUSTA格式的全非线性Boussinesq波浪传播数值模型

建立了求解二维全非线性布氏(Boussinesq)水波方程的有限差分/有限体积混合数值格式.针对守恒形式的控制方程,采用有限体积方法并结合MUSTA格式计算数值通量,剩余项则采用有限差分方法求解,采用具有总变差减小(totalvariationdiminishing,TVD)性质的三阶龙格-库塔法进行时间积分.该格式具备间断捕捉、程序实现简单、数值稳定性强、海岸动边界以及波浪破碎处理方便和可调参数少等优点.利用典型算例对数值模型进行了验证,计算结果与实验数据吻合较好.

基于精确色散Boussinesq方程的珊瑚礁波浪传播模拟

【目的】提高激波捕捉类Boussinesq模型预测珊瑚礁地形上次重力波空间分布的准确性。【方法】基于具有精确色散性能的Boussinesq方程构建混合数值格式的数值模型,并对二维以及三维珊瑚礁地形上的波浪传播进行了数值模拟。【结果】相比目前较为流行的弱色散激波捕捉类模型,本文模型可更为准确地模拟二维珊瑚礁地形上的波能转换特征以及相应的次重力波空间分布,同时,本文模型对于三维珊瑚礁-裂口-潟湖地形上的波浪传播问题也具有较好的适应性。但由于控制方程的弱非线性,本文模型对于礁前陡坡上波浪浅化和潟湖上波高的预测仍有一定差异,且方程中的卷积项也会降低模型的计算效率。【结论】控制方程的色散性能应是限制激波捕捉类Boussinesq模型模拟珊瑚礁次重力波准确性的主要因素,如何在保持方程色散性的情况下兼顾模型的非线性性能和计算效率应是后续激波捕捉类Boussinesq模型在珊瑚礁地形上改进的主要方向。

跨海桥梁基础波浪力断面对比与研究

桥梁基础在波浪环境下的施工安全关乎桥梁建设的稳定性,需要给予足够的重视。利用数值模拟手段,基于改进的RNG κ-ε模型,采用VOF法模拟自由液面,在保持相同迎浪断面的情况下,建立圆形、圆端形、矩形和多边形4种不同断面形式桥梁基础受波浪作用的三维数值模型,对比其受力差异,并结合流场数据加以分析。结果表明:相同波浪条件下4种不同断面形式的结构所受到水平波浪力中以圆形结构为最小,矩形结构为最大,其总水平波浪力幅值较圆形结构增大10%左右;桥梁基础结构在波浪的作用下,基础周围会受到绕流作用,使得结构部分位置处的流速增大并出现流速集中现象,在矩形结构周围这一现象最为突出,多边形结构的情况与之类似,而圆形及圆端形结构的流速集中现象则相对较弱;按规范计算得到的等效圆柱波浪力相较于数值模拟结果大23%~29%,按等效方柱计算得到的波浪力相较于数值模拟结果大10%~13%。从工程设计的角度看,采用圆弧形的结构设计有助于减小波浪荷载和削弱桥梁基础局部的流速增大与流速集中现象。

基于PI建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略

海上起重船受风、浪、涌影响会产生剧烈的船舶姿态变化,造成起重机和货物的位姿变化,对货物和人员存在安全隐患,波浪补偿平台的稳定性控制能有效减少复杂海况下船舶运动对海上作业安全性、稳定性和精准性的影响,对浮式起重船海上设备精准装载作业极其重要。针对补偿平台的迟滞非线性导致的建模困难和控制不精确问题,本文提出基于PI(Prandtle–Ishlinskii)建模和反步滑模控制的主动波浪补偿策略。首先,通过实验得到补偿系统的迟滞效应曲线,分析系统迟滞环建立PI迟滞模型,并采用递推最小二乘法辨识模型的各个参数,从而求得系统模型。然后,基于李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性设计反步控制补偿方法,并结合滑模控制规律加快初始控制速度。最后,将反步滑模法应用于补偿系统,采用MATLAB软件仿真在规则波和不规则波下的响应来验证算法和模型的正确性,并在工控机中用C#编写控制程序,驱动运动控制卡控制伺服电机带动电缸进行补偿运动,同时通过传感器采集系统运动的实时数据,并反馈给工控机形成闭环,以期验证补偿平台在补偿规则波和不规则波下的补偿效果。实验结果表明,所建立的斯图尔特(Stewart)浮式平台中,PI迟滞模型具有良好的精度,反步终端滑模控制算法在Stewart平台的实际控制中能够很好地补偿波浪运动,相比比例–积分–微分控制(PID)、反步法、强化学习等控制方法,反步终端滑模方法能快速较好跟踪期望位移,补偿精度达到0.9729。

基于改进麻雀优化PID的波浪补偿控制方法

随着海上风电“十四五”规划的不断推动,在深远海域对兆瓦级大功率海上风机的需求量随之增加,其规模也在不断扩大。但是,在吊运、安装等海上工作过程中,复杂海浪对船舶产生的持续影响导致风机安装的精度和效率大幅下降,甚至会对人员安全以及财产造成重大损失。在深远海域复杂海况下对工程船舶进行有效的波浪补偿,可提供稳定的作业环境以保证精准高效地完成各项工作,因此,本文提出了一种基于改进麻雀优化PID的波浪补偿控制方法并将其应用于Stewart补偿平台。首先,建立波浪补偿平台动力学以及运动学反解模型,并设计正解模型迭代求解算法。随后,使用PID进行波浪补偿控制,并通过麻雀搜索算法优化参数。接着,采用Circle混沌映射对其进行初始化分布,以解决初始化不均匀的问题;并采用动态自适应加权、柯西突变以及反向学习以提升算法全局寻优能力。最后,生成4~6级海况下的某工程船运动数据作为系统输入,利用MATLAB和Simulink软件平台搭建模型进行补偿控制验证,并在Stewart硬件平台上做补偿试验。结果表明,改进麻雀搜索算法具有较快的收敛速度、较高的精度和更好的寻优能力,优化后的PID控制方法更适合用于复杂海况下波浪补偿平台的控制优化,可为大功率海上风机安装的补偿平台控制系统设计提供参考。

基于测量不确定度评定理论的波浪能发电装置实验数据质量评价研究

通过采用测量不确定度评定理论提出波浪能发电装置实验室俘获宽度比测试的数据质量评价模型并进行验证,可为后续建立波浪能发电装置实验数据的量值溯源链,完善波浪能发电数据评估技术提供研究基础。研究表明,在同一工况下实验结果的测量不确定度与样本量有关,在采用测量不确定度评价不同装置的实验数据质量时应在相同或相近的样本量条件下进行,避免由于样本量的不同造成实验结果的评价差异。

波浪能供电观测浮标防腐方案设计及仿真

针对波浪能供电观测浮标的结构组成,分析其工作原理、运动特性、各系统处的海洋腐蚀环境,将浮标划分成多个海洋污损区域。基于目前的防腐方法和浮标复杂的海洋腐蚀环境,综合考虑成本及施工时效性,提出一种防腐油漆涂层加阴极保护双组合的防腐方法,并进行外加电流阴极保护防腐系统及关键参数的设计。通过数值模拟,确定该系统布置在浮标主浮体侧面可实现较好的防腐效果。最后,提出两种防腐系统位置布置方案。

自适应双稳态浮子式波浪能发电装置在不规则波中的能量捕获性能研究

传统双稳态波能装置已被证实在规则波中可以通过添加“自适应”特性,来解决由阱内振荡引起的低能量吸收问题。本文以自适应双稳态浮子式波浪能发电装置为研究对象,探讨装置在不规则波中的能量捕获性能情况。通过四阶龙格库塔法数值求解装置的运动控制方程,探究在不同装置参数下,自适应双稳态浮子式波浪能发电装置和传统双稳态浮子式波浪能发电装置以及线性浮子式波浪能发电装置的能量捕获性能表现。结果表明,选取适当的装置参数可以使自适应双稳态浮子式波浪能发电装置显著提升能量捕获性能,而且与线性和常规双稳装置相比,更适应于实际海况中波浪能量捕获。

波浪荷载下海上风力机桩基础滞回效应及水平承载力变化特性研究

该研究以海上风电桩基础为研究对象,采用自主设计的水平加载装置模拟波浪荷载,结合粒子图像测速(PIV)技术开展缩尺模型试验。着重探究不同幅值的波浪荷载加载过程中,桩周土体的循环变形特征及加载前后,海上风力机桩基础水平承载能力变化。试验结果表明:桩顶累积转角随加载次数呈线性增长、缓慢增长和稳定发展的三阶段变化特性;桩周土体呈现典型的刚性桩两区域破坏形式,桩右被动区土体位移矢量场和位移云图影响范围受加载幅值变化影响显著;桩顶循环加载荷载位移曲线表现出明显的滞回性,滞回圈随加载次数右移并产生累积位移。伴随着滞回圈面积减小和割线刚度增大,桩周土体由以塑性变形向弹性变形为主导变化;循环加载后的滞回圈有明显捏缩,耗能能力减弱。桩基础水平承载能力及弹性变形能力较加载前均明显提高。

内河大型双体客船波浪载荷试验及仿真预报

针对某内河大型双体客船,开展波浪载荷的模型试验和仿真预报研究。建立双体船波浪载荷预报的水动力仿真分析模型,获得双体船的垂荡、横摇、纵摇等运动响应特性,以及剪力、弯矩、转矩等波浪载荷沿船长方向的分布特征,研究航速对波浪载荷的影响规律。设计加工双体船缩尺模型,开展了波浪不同波长和浪向角下的载荷试验研究,并将仿真结果、试验结果进行比较,吻合较好。

多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率.本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布.结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险.对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响.三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性.

多连通域浮式平台波浪载荷水池模型试验研究

大型多连通域浮式平台的典型代表是大型海上旅游浮式综合体,依据概念设计,开展大型多连通域浮式平台的波浪载荷水池模型试验研究,试验对不同海况下4种典型多连通域浮式平台方案进行波浪载荷测量,包括剖面的垂向弯矩、水平弯矩和扭矩等,通过观察试验现象和分析测量数据,获得了不同方案大型多连通域浮式平台的波浪载荷特性。试验结果表明:由于平台质量大、振动阻尼大,所以高频载荷成分小;平台在自由状态下载荷值基本都小于平台只释放垂荡状态载荷值;在方案四高波高状态下,平台波浪载荷的高频成分包含了波浪的非线性、约束柱与平台之间的耦合、平台自身的高频振动等。研究成果可为大型海上旅游浮式综合体的结构设计提供设计载荷输入,支撑平台的强度校核评估。

波浪能转换装置控制技术的发展

从波浪能转换装置的类型及代表性装置阐述国外波浪能装置的发展现状,并对国内波浪能装置的发展进行说明;以当前最普遍使用的点吸收器为例,将功率最大化作为控制目标,从最优和次优的角度介绍经典控制技术及近年来提出的新型控制技术;根据波浪能转换装置研究现状,对未来波浪能转换装置控制技术的主要研究方向进行预测与分析,研究成果可为波浪能转换装置控制技术的进一步研究提供参考。

基于Pasternak海床模型的椭圆余弦波浪荷载作用下埋置管线动力响应解析解

通过两阶段分析方法,针对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应进行了探究。基于椭圆余弦波理论,采用Biot固结方程推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管线所受的周期波浪压力;将管线考虑为动力Pasternak海床模型上的Euler-Bernoulli梁,将波浪动荷载施加到管线上获得无限长管线的动力响应偏微分控制方程;利用Fourier变换和Laplace变换并借助卷积定理得到管线挠度、速度、加速度、转角、弯矩和剪力的动力响应解。通过与三维有限元数值算例及既有试验结果对比验证了解析解的正确性与适用性。对椭圆余弦波作用下埋置管线的动力响应特性进行了敏感参数分析,结果表明:波浪高度H显著影响了波面形状与海床内波浪力大小,不同浪高下管线转角、弯矩和剪力的变化更明显,而挠度、速度和加速度响应敏感性则较低。

三角形排列波浪锥柱绕流流动特性数值分析

采用大涡模拟方法,分析了亚临界雷诺数为3 900时三角形排列波浪锥柱的横流向间距比和顺流向间距比对其升阻力特性、尾流干涉效应及三维流动结构等的影响.结果表明,上游2个波浪锥柱的升阻力特性受下游波浪锥柱影响较小,下游波浪锥柱处于上游双波浪锥柱尾流中,其升阻力特性受横流向间距比和顺流向间距比影响更为显著.3个波浪锥柱间的流动状态可分为邻近干扰、漩涡撞击和涡相互作用状态.在漩涡撞击状态下,上游波浪锥柱尾涡得以发展充分,周期性撞击在下游波浪锥柱表面,从而产生较大的脉动升力.横流向间距比、顺流向间距比分别为3和6时,下游波浪锥柱脉动升力系数较单直圆柱提升了20.93倍.

波浪滑翔器声通机椭圆导流罩减阻性能分析

针对波浪滑翔器声通机载荷减阻问题,设计水声通信机导流罩,并采用流体力学软件分析确定其设计参数;在直航状态下,仿真得到椭圆导流罩最优轴长比;然后在虚拟锚泊状态下优化其前缘长度;最后通过海上试验验证仿真可靠性。结果表明:相比于圆柱形外形,本文提出的导流罩的截面轴长比为3时,导流罩具有最佳减阻效果;在直线和虚拟锚泊运动时分别减阻82.2%和54%。该研究可为低速(雷诺数为3×10^(5))水声通信机导流罩设计和优化提供参考和借鉴。

水流、波浪作用下复杂桥墩动力响应

为了明确水流和波浪作用下复杂桥墩动力响应特点,以某4柱桩柱式框架墩连续梁为依托,运用ANSYS建立桥梁(墩)-水耦合数值分析模型,分析桥墩在水流作用下绕流,对单墩和桥跨结构中该墩在不同流速、不同波高以及波、流联合作用动力响应进行研究。研究表明:绕流分析显示各墩柱速度场和压力场不对称;水流单独作用时,动力响应均随着流速和水深的增加而增大;与单墩相比,由水流产生的桥梁结构中桥墩动力响应小,且动力响应随流速和水深增加而逐渐增大;波浪单独作用时,单墩和桥梁结构中桥墩的动力响应均在波峰作用时产生最大值,在波谷作用时产生最小值;随着波高增加,桥墩和桥梁动力响应在波峰和波谷处动力响应最值随之增大;随着入水深不断增加,波浪对单墩和桥梁结构中桥墩的动力作用越显著;波、流联合作用时,桥梁结构中桥墩动力响应均随着波高和水深增加而增加,波峰时动力响应最值随着流速增加而增大,波谷时动力响应最值随着流速增加而逐渐减小,水流影响系数最大12.96%,表明波浪在动力响应中起主导作用;波浪波向和水流流向相同时,波、流联合作用动力响应并非两者单独作用叠加。

基于改进秃鹰优化算法的海上混合光伏波浪能转换器阵列优化

近年来,海上能源发电技术备受瞩目,一种新兴趋势是将波浪能转换器(wave energy converter,WEC)与海上光伏(offshore floating photovoltaic,OFPV)相结合,形成混合光伏-波浪能转换器系统(hybrid PV-wave energy converter,HPV-WEC)。HPV-WEC具有提高海上空间利用率,降低成本以及实现功率稳定输出等优势。为了充分利用HPV-WEC系统之间的协同效应,在不增加新设备的情况下提高能源产量,提出了一种基于改进秃鹰优化算法(improved bald eagle search algorithm,IBES)的HPV-WEC阵列布局优化策略。IBES结合了莱维飞行策略和模拟退火(simulated annealing,SA)机制,以平衡局部开发和全局探索之间的关系。为了评估IBES在优化HPV-WEC阵列方面的有效性,进行了5个浮标和8个浮标规模的阵列优化,并将IBES与其他5种算法进行了比较。实验结果表明,IBES表现出实现最大总功率输出并具有显著的收敛特性。

波浪能发电装置垂荡浮子PTO系统的建模与计算

为了便捷求出垂荡式波浪能发电装置垂荡浮子的平均功率,对现有的设计计算方法进行了研究。基于波浪理论和Froude-Krylov假定法求解波浪力,应用单自由度有阻尼系统受迫振动理论,将波浪激励力作为对垂荡浮体的输入动力,将发电机的电磁阻力作为主要的阻尼力,建立了质量-弹簧-阻尼振动力学模型,确定了垂荡浮子响应的计算方法,并对实际波浪能发电装置垂荡浮子Power Take Off(PTO)系统列举出计算实例。在算例基础上,对假设条件进行了扩展,应用频率响应曲线、MATLAB软件做出不同参数条件下平均功率三维曲线和输出平均功率数值表,清晰地表明了系统响应状况。研究显示,在波高和频率比一定的条件下,PTO系统平均机械功率随着浮体质量和阻尼力矩的变化具有峰值,围绕峰值区域设计装置的各项参数,能够取得较理想的效果。该建模与计算方法可为实际工程优化设计提供参考。

计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制策略

为提高波浪发电系统(wave energy converter,WEC)能量捕获效率,并保证其在运行过程中满足系统的各种约束条件,该文以平均捕获功率最优为目标,提出计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。针对波浪激励力过大导致的变流器输出电压过调制问题,将弱磁控制引入优化算法,在满足发电机弱磁极限的前提下增大发电系统的运行范围,提高WEC的能量捕获效率。此外,基于仿真分析,发现了规则波下MPC目标函数的正则系数与平均捕获功率的对应关系。在此基础上,引入快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT)与叠加定理,构建了适用于不规则波输入的直驱式WEC变系数MPC控制策略。仿真结果表明,在不规则波浪下,所提方案能在满足系统约束条件的同时,有效提高能量捕获效率。