同轴双浮体波能装置参数研究

该文以同轴双浮体波能装置为研究对象,以山东省波浪场资源为背景进行条件,首先提出Matlab-APDL-AQWA联合仿真系统,实现波能-功率全过程模拟,并将模拟结果与文献中的物理模型试验数据进行对比验证。同时探究随机波浪作用下浮体半径、质量参数及PTO参数对装置获能平均功率的影响。研究表明,双浮体的半径参数和质量参数会显著影响装置的平均功率,装置获能随PTO阻尼系数的增大呈先增后减的趋势,而PTO刚度系数在一定范围内变化对装置获能影响不明显。

山东半岛附近海域风、浪能资源联合评估

采用ERA5风场驱动第三代浅海海浪数值模式(SWAN),构建山东半岛附近海域波浪模型,得到30 a同步风浪数据,对海上风能和波浪能进行联合评估。评估分析海上风能和波浪能的能源潜力、稳定性及两种资源的相关性、互补性,可为未来风浪资源联合开发提供依据。研究结果表明,该海域风能和波浪能资源丰富,有明显的季节变化特征,冬季资源最为丰富且稳定性较高。两种资源在近岸海域的互补性更强,在渤海西部和黄海北部的近岸海域相关性相对较低,具有更高的联合开发潜力。

水平偏心摆波能装置运动获能特性研究

以水平偏心摆波能装置为对象,通过物理模型试验和数值模拟,对装置在单自由度和多自由度下的运动和获能规律进行研究。不同波周期下,摆体出现小幅振荡、旋转和振荡旋转三种运动状态。研究表明,装置在单自由度下出现对获能不利的“锁停”现象,而多自由度的获能相对较好,平均功率随波浪周期出现两次峰值。第一次峰值对应波周期与能量输出(PTO)阻尼和摆臂长度正相关,峰值与PTO阻尼正相关;第二次峰值及对应波周期与外浮体轴比正相关。

不同刚度圆柱振子涡激振动数值模拟

为了研究不同刚度涡激振动系统对圆柱振子振动特性的影响,本文建立了单自由度涡激振动系统的仿真模型,采用计算流体力学(CFD)方法并结合重叠网格技术进行数值模拟。通过与公开发表的文献数据进行对比,验证了模型的精度和方法的可靠性。本文对时变流速下圆柱振子的振幅响应、频率响应和尾涡特征的变化情况进行了详细分析。仿真结果表明:当圆柱振子的振幅随流速的改变而降低时,调整弹簧刚度的大小,可使其保持较大的无量纲振幅和振动频率,并使尾流脱落旋涡之间的间距增大,且脱落模式由“2S”模式变为“2P”模式。

广东省周边海域风能和波浪能联合开发潜力分析

参考现有海上风电场位置选择广东省周边海域的5处联合开发场址,基于2001—2020年的风和波浪再分析数据,从资源储量和稳定性等角度对选址开展资源特征的详细分析,并评估不同额定功率的6种风力机和6种波浪能装置在选址处的发电性能。结果表明,广东省周边海域的风能和波浪能均有明显的季节分布差异,在秋冬季节更为丰富且更为稳定;风能和波浪能具有较强的相关性;风力机额定功率越大平均发电功率越大,但容量因数随额定功率的增大呈现波动趋势;风力机的容量因数明显大于波浪能装置;综合考虑多种因素,W2E-215/9.0风力机和Wave Star波浪能装置更适合投放于所提5处场址。

水平轴潮流能水轮机性能的数值模拟与实验

为预测所设计水轮机的水动力学性能,分别采用滑移网格与多参考系的旋转模型在ANSYS workbenchFluent中对设计的潮流能水轮机进行数值模拟,得到不同桨距角、不同尖速比下水轮机的轴向力系数、扭矩系数、功率系数。利用3D打印技术制作水轮机模型,并在实验水槽中进行模型实验。实验表明,所设计的水轮机具有较好的水动力学性能,实验值与2种旋转模型数值模拟对比表明,利用滑移网格旋转模型比利用多参考系旋转模型进行数值模拟得到的结果更加精确,计算时间相应有所增加。另外,利用滑移网格的方法得到不同尖速比下水轮机转子叶片的正负压力分布规律,可为水轮机工况分析与水轮机叶片加工制造提供指导。

基于点吸收式波能装置风浪联合获能系统动力特性研究

基于风和波浪的伴生关系及波浪能与风能同时获取的可行性,提出一种基于半潜式风力机与点吸收式波能装置的新型风浪联合获能系统。建立考虑等效(PTO)的全过程风-浪-多体耦合时域分析模型,并研究波能装置设计参数对波浪能输出功率的影响规律,重点研究风浪联合运行海况下新型风浪联合获能系统的结构动力响应特征与获能特性。结果表明,波能装置的安装对平台纵荡运动和系泊系统产生不利影响,对风力涡轮机的影响较小,此外垂荡和纵摇响应均随波能装置的加入得到抑制,纵摇角平均值减小25%,垂荡位移标准差减小42%,与漂浮式风力机相比,联合获能系统的平均输出功率增加17%。

叶尖形式对潮流能水轮机性能及尾流的影响

以水平轴潮流能水轮机作为研究对象,采用试验与仿真相结合的方法,研究叶尖优化处理对于水轮机水动力性能、尾流恢复及叶尖涡控制的影响。结果表明:叶尖优化模型能有效减弱叶尖处从压力面向吸力面的回流,大幅减轻叶尖涡整体的强度,对加速水轮机尾流的恢复、提高水轮机的水动力学性能具有积极作用。研究显示与基础叶片水轮机模型相比,叶尖优化水轮机模型的获能系数整体增加1.92%。

固定式风电机组基础波浪能装置物理模型试验研究

近年来,随着传统化石燃料消耗日益增多和环境保护问题日渐严峻,海上可再生能源的发展越来越受到重视,海上风能和波浪能利用技术成为研究热点。该文提出一种基于固定式四脚导管架海上风力机基础的振荡浮子式波浪能装置,从能量守恒角度进行理论分析,开展几何比尺1∶8的物理模型试验,研究海上风能和波浪能耦合利用的可行性,分析波浪能装置对风电机组基础周边波浪场的影响并总结规律。研究发现:应针对特定海域的波高和周期条件挑选合适的浮子,且单个侧面浮子比单个正面浮子的能量吸收率更高、对波浪场的遮蔽作用更明显,为海上风浪耦合利用提供了理论依据和设计参数。

两种湍流模型在潮流能水轮机数值模拟中的适用性研究

在对特定湍流条件下的水平轴潮流能水轮机进行数值模拟时,不同的湍流模型对于计算结果具有一定的影响。为选择合适的湍流模型对所设计水轮机的三维流场进行描述,将采用常用的两方程模型(SSTk-ω与Realizable k-ε)进行数值模拟,得到不同工况下水轮机的性能参数以及水轮机后1.5D处流场的流速、湍流强度分布情况,并进行模型水槽试验,试验值与采用两种湍流模型进行数值模拟得到的仿真值对比表明:在低尖速比工况下,采用SSTk-ω进行数值模拟得到的仿真值比Realizable k-ε更接近试验值,在较高尖速比时,采用Realizable k-ε进行模拟得到的数值更接近试验值;采用两种湍流模型进行数值模拟得到的速度分布具有相似性,但对于湍流强度的预测,SSTk-ω更具有优势。考虑此水轮机的实际工况,选择SSTk-ω湍流模型进行描述更加合理。

偏航工况下潮流能水轮机性能及尾流场特性分析

潮流能发电机组在工作中,水轮机与潮流流向之间的偏航角对于机组的性能有较大影响。基于ANSYS Fluent软件采用SST k-ω湍流模型和滑移网格旋转模型对不同偏航角下水轮机进行数值模拟,分析偏航工况下水轮机性能及尾流场特性,并进行试验验证。结果表明:随着偏航角的增大,轴向力系数与功率系数降低,尾流场流速变化不对称现象趋于明显,同时造成周围流场湍流强度增大。

潮流能水轮机阵列方式与其产能关系研究

潮流能资源的商业化开发,一般通过潮流能水轮机组成阵列来实现,因此,需要考察潮流能水轮机的阵列方式与其产能的关系。文章基于Delft 3D-Flow软件建立了青岛斋堂岛及其附近水域的三维水动力模型。经TSE方法选取阵列在目标水域的放置位置后,采用动量损失的方法将潮流能水轮机对流场的影响进行等效,研究不同阵列排布方式下的实际产能。研究结果表明:在单位面积的潮流场中,当阵列中的水轮机间距小于一定值时,通过缩小间距来增加阵列中水轮机的数量对阵列的整体产能提升不大;增加阵列中的水轮机间距可提高单台水轮机的平均产能,但是,当间距大于一定值时,继续增加间距,单台水轮机的产能变化并不显著。

基于多目标遗传算法的潮流能水轮机专用翼型优化设计

根据潮流能水轮机的工作条件与技术要求,开发新型潮流能水轮机叶片专用翼型。建立多目标优化模型,采用遗传算法进行寻优求解,得到最大相对厚度范围为12.6%~38.8%的五种新翼型,构成潮流能水轮机叶片专用翼型族系列。开发了水平轴潮流能水轮机设计软件,搭建潮流能水轮机叶片翼型数据库,通过在潮流能水轮机设计软件中调用叶片翼型数据,为潮流能水轮机叶片设计提供方便。

实海况下流速梯度对潮流能水轮机水动力性能影响的数值研究

针对实海况条件下来流梯度,基于现场实测的流速和水深数据,对实尺度水平轴潮流能水轮机的水动力学性能进行仿真,对比水轮机在流速梯度影响下获能和轴向力变化规律。结果表明,真实潮流场中流速梯度不仅对水轮机的获能和轴向力产生影响,还会造成流场的布放水深对水轮机实际获能产生影响。同时,流速梯度造成水轮机运行时所受载荷发生动态变化,使得叶片处于不同位置时轴向力和转矩呈现周期性波动,影响叶片的获能和动力稳定性,引起振动和寿命疲劳等问题。

仿生水母机器人SMA驱动技术及试验研究

受水母喷射式推进方式的启发,研制了一种以SMA弹簧作为驱动材料的仿生水母机器人。本文首先对SMA弹簧性能做了试验研究,验证了采用SMA弹簧作为仿生水母机器人驱动源的可行性。并在此基础上,提出了一种基于SMA弹簧的直线差动式驱动器,经试验得出了驱动器推杆运动速度与负载的关系。然后对仿生水母机器人游动时动力学进行分析,并使用数值模拟的方法对仿生水母机器人运动阻力进行了计算,得出了在不同工作状态下,仿生水母机器人运动阻力的变化曲线。最后,对仿生水母机器人进行了试验测试,仿生水母机器人达到了预期游速,验证了SMA驱动仿生机器人技术的可行性。

潮流能水平轴水轮机叶片双向流固耦合特性分析

为了探究水轮机叶片在流固耦合条件下的性能,文章以20 kW潮流能水平轴水轮机为例,采用k-ωSST湍流模型和滑移网格,基于ANSYS软件下的System coupling模块对其进行了实际工况下的双向流固耦合计算,分析了叶片结构变化对叶片水动力学性能的影响规律,研究了流固耦合条件下叶片的强度特性,通过与不考虑流固耦合条件的计算结果进行对比,发现双向流固耦合条件下的叶片获能效率和上、下表面压差会有所降低。研究得到的结论可为潮流能水轮机叶片的设计提供参考。

波流耦合环境下潮流能水轮机阵列对区域潮流特性影响研究

通过将Delft3D-FLOW和WAVE模块在线耦合,建立斋堂岛海域的三维波流双向耦合模型,并通过动量损失的方式等效模拟潮流能水轮机阵列,以此为基础研究波流耦合环境下潮流能水轮机阵列对区域潮流特性的影响。结果表明:水轮机阵列放置后,区域海域水位变化最大可达约2 cm,流速变化最大可达约0.4 m/s;在波流耦合环境下,沿岸区域以及水流流过水轮机阵列和海峡后的交汇区域水位和流速变化较大,且表层和中层流速变化更为明显,波浪带来的区域潮位变化约为1 cm,表层和中层流速变化约为0.25 m/s。

海底地形对潮流能水轮机水动力学性能影响数值模拟研究

为研究海底地形尾流对潮流能水轮机水动力学性能的影响,采用CFD方法,使用开源软件Code_saturne,选取具有代表性的二维梯形地形,对有无地形两种工况下的水轮机的性能分别进行数值模拟,得到不同尖速比的水轮机性能参数曲线。通过水槽试验与数值模拟结果对比,验证用CFD数值模拟直接求解含有地形流场中的水轮机各项性能参数的可靠性。利用数值模拟方法对梯形地形的尾流分布进行分析,进而研究海底地形尾流对水轮机性能的影响距离,为潮流能水轮机的微观选址提供一定参考。

水平轴潮流能水轮机阵列对区域潮流场影响研究

为考察水轮机阵列对区域潮流特性的影响,本文基于Delft 3D-Flow建立斋堂岛及附近水域的三维水力学模型并通过实测数据进行校验。经验证后的模型,采用TSE方法确定阵列在目标水域中的放置位置,并通过动量损失方式模拟水轮机对流场的影响,进而研究和评估在一定水域面积下不同水轮机数量组成的阵列对潮流场的影响。仿真结果显示:该水域放置水轮机阵列将对附近较大范围水域的水位产生影响,在靠近阵列处水位变化最大能达到3 cm;对区域流速影响较为显著,当阵列中水轮机密度较大时,其尾流影响区域局部时刻流速下降能达到45 cm/s且影响距离可延伸至其下游2 km外。

波浪作用下安装深度对水平轴潮流能水轮机水动力性能的影响研究

在海洋环境中,波浪等环境因素会使水轮机受到非均匀载荷作用,从而造成水轮机疲劳破坏。为了获得较高的获能效率,同时保证较大的疲劳寿命,需要合理布置水轮机位置。为此,利用计算流体动力学软件Fluent对波流相互作用下水轮机水动力性能进行数值模拟,得到不同安装深度下水轮机所受轴向力、扭矩、轴向力系数、获能系数等相关参数。利用3D打印技术制作水轮机模型,并在水槽中进行模型试验,验证了VOF造波方法对波浪作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能分析的适用性。研究结果表明:波浪和安装深度对水轮机有很大影响,即在波浪作用下,水轮机水动力性能的瞬时值均发生周期性波动,且这种周期性波动均随着安装深度的增加而逐渐减小;虽然水轮机所受轴向力和扭矩的平均值受水轮机安装深度的影响很小,但是随着安装深度的增加两者均呈现出逐渐增大的趋势;此外,水轮机平均轴向力系数和功率系数随着安装深度的增加也呈现出逐渐增大的趋势。对不同安装深度下水轮机水动力性能的研究可以为水轮机载荷分析、叶片加工制造以及安装位置的选取提供一定的参考。