没有合适的资源?快使用搜索试试~ 我知道了~
经典形状浮子固有周期下水动力学特性研究.docx
1.该资源内容由用户上传,如若侵权请联系客服进行举报
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
2.虚拟产品一经售出概不退款(资源遇到问题,请及时私信上传者)
版权申诉
0 下载量 54 浏览量
2023-02-23
20:28:51
上传
评论
收藏 600KB DOCX 举报
温馨提示
试读
11页
经典形状浮子固有周期下水动力学特性研究.docx
资源推荐
资源详情
资源评论
摘要
振荡浮子式波能发电装置是一种典型的波能发电装置,浮子的水动力学特性对波浪能发电装置吸波
性能有直接的影响。采用数值仿真方法研究了几个经典底部形状的圆柱体浮子在固有周期下的水动
力学特性,并讨论了浮子直径 d 与吃水 h
之
比(d/h
)
对平底圆柱体浮子水动力学特性的影响。仿
真结果显示,可通过自由衰减试验测试浮子在固有周期下的水动力学特性:扁平浮子固有周期短、
辐射阻尼大,不利于吸波;细长浮子辐射阻尼小,且对底部形状不敏感,所以可选用平底面;适当
增加浮子吃水深度,可以提高浮子固有周期,在常遇波况内实现与来波共振,提高波能系统吸收波
浪能效率。研究结果可为浮子设计提供理论依据。
Abstract
Oscillating float wave energy converter (WEC) is a typical wave energy
generator.The wave absorption performance of WEC with natural period is influenced
by the hydrodynamic characteristics of the float,which are studied in this paper in
respect to several cylindrical floats with classical bottom shapes under natural
period by numerical simulation method.The influence of d/h on the hydrodynamic
characteristics of flat bottom cylindrical floats is discussed.The simulation results
show that the free attenuation test can be used to test the hydrodynamic
characteristics of the float with natural period.The flat float has a short natural
period and large radiation damping,so it is not conducive to wave absorption.The
slender float has low radiation damping and is not sensitive to the bottom shape,so
a flat bottom surface can be selected.Properly increasing the draft of the float can
increase the natural period of the float,achieve resonance with the incoming wave in
frequently encountered wave conditions,and improve the efficiency of wave energy
absorption of the wave energy system. The research results provide a theoretical
basis for float design.
译
关键词
振荡浮子; 水动力学特性; 固有周期; 自由衰减; 数值仿真
Keywords
oscillating float; hydrodynamic characteristics; natural period; free
attenuation; numerical simulation
译
波浪能是一种可利用的可再生清洁能源,最早有记载的波浪能利用是 1799 年 Girard 父子提出的
杠杆式波力发电装置
[ 1 ]
。最早实践的波浪能发电装置是 1910 年法国人 Bochaux-Praceique 建
设的 1 kW 固定垂直管道式海浪发电装置
[ 2]
。然而波浪能利用的大规模研究始于 20 世纪 70 年代,
第 1 次能源危机促进了波能利用技术的研究
[ 2-4]
。日本学者 Masuda 提出的振荡水柱(oscillating
water column,OWC)技术开启了波浪能技术的研究高潮
[ 4, 5 ]
。其后近半个世纪的发展历程中,
研究者们提出了数以千计的波浪能利用方案
[ 2 ]
,其中振荡浮子式波浪能装置是研究最为广泛的一
种。
波浪是一种机械波,用振动系统截获波浪能是最直接最简洁的方式,截获波浪能的系统基本上都是
振动系统,振荡浮子式波浪能装置是典型的振动系统。共振状态的波浪能装置吸收波浪能效率最高,
因此若能利用共振,则波浪能装置可实现高效波浪能发电。
当激励周期高于其固有周期时,振动系统主要表现为静力特性;激励周期与固有周期接近时,即激
励周期处于共振区域,振动系统表现为阻尼特性;当激励周期低于固有周期时,振动系统表现为惯
性特性。利用共振实现高效波浪能发电,需要重点研究波浪能系统的阻尼特性,波浪能系统的阻尼
主要来自于 3 个方面,即与波浪能装置外形有关的辐射阻尼、与能量转换和发电系统及制造质量有
关的机械摩擦和电气发热的机电阻尼、与装置发电有关的 PTO(power take-off)阻尼。这 3 个
阻尼中辐射和 PTO 阻尼与设计有关,是研究的重点。简洁的能量转换和发电系统将大幅降低机电
阻尼,有利于波浪能装置吸收波浪能。
本文不讨论机电阻尼的影响,故假定机电阻尼为 0,在不考虑机电阻尼的情况下,对线性振动系统
进行研究,发现共振时最优 PTO 阻尼与辐射阻尼相等
[ 6]
。由此可见,共振时决定波浪能装置效率
的是其辐射阻尼,而辐射阻尼是波浪能装置的外形水动力学特性。因此若要利用共振俘能,研究固
有周期下波浪能装置的水动力学特性是十分必要的。
振荡浮子式波浪能装置主要采用圆柱体,其底部有不同的形状。不同形状底部的振荡浮子水动力学
特性对波浪能装置的效率影响,是目前比较关注和研究较多的问题,主要研究附连质量和阻尼、波
浪力及浮子响应的振幅响应算子(response amplitude operator)和输出功率。陈启东等
[ 7]
采
用数值仿真方法讨论了锥形底的浮子,主要讨论了锥角的影响;刘晓等
[ 8]
对一个锥台形浮子的水
槽进行了研究;张万超等
[ 9]
基于势流理论对平底圆柱体浮子给出了附加质量、阻尼系数及波浪激
励力的级数解析表达式,讨论了 PTO 阻尼问题;刘延俊等
[ 10]
采用数值方法研究了平底型、半球型、
圆锥型和圆台型等不同底面形状的浮子对浮能性能的影响;胡缘等
[ 11]
将一个重力摆形式的波浪能
装置按振荡浮子式装置进行研究,研究了不同形状的浮子对其捕获宽度比的影响。
影响波浪能装置俘能的因素较多且复杂,作用于装置上的波浪力是其中之一。普遍认为浮子的直径
直接影响波浪力,直径越大作用于装置上的波浪力越大,装置俘能能力越强。因此现有的浮子基本
上是扁平形,即浮子直径 d 与吃水 h 比 d/h 较大。扁平浮子的固有周期较短,在波浪作用下,由
扁平浮子构成的振动系统表现为静力特性,浮子随波性好,但俘能能力远低于共振状态,实际上扁
平浮子并非最理想的浮子。
相控技术
[ 12,13 ]
是一种实现振荡浮子式波浪能装置共振的方法,然而相控技术需要实时预测波浪和
及时作动,而这 2 个技术难以实现,因此相控技术也难以实现
[ 14]
。若将浮子的固有周期与波浪周
期设计一致,则可以实现共振,浮子的固有周期与吃水直接相关,吃水越大固有周期越长。实际波
浪的周期较大,我国海域的常遇波浪周期为 5~6 s,研究表明固有周期在 5~6 s 范围内的平底圆
柱形浮子吃水需 6 m 以上。若按文献[10]给出的 d/h=3 计算,浮子直径要大于 18 m;按文献
[8] 给 出 的 d/h=7.812 5 计算,浮子直径要大于 46.8 m,该尺寸大于 5 s 深水 波 波 长 38.9
m。大尺寸的浮子给制造和安装带来了困难,同时浮子直径会大于波长,与原有点吸收的设计思想
不符。
利用共振实现高效波浪能发电是一个有效的方法,共振时的水动力学特性对装置俘能影响很大,然
而现有文献对共振时的浮子水动特性研究较少。本文采用数值仿真方法研究了几种典型的底部形状
为圆柱体浮子的水动力学特性,可为利用共振实现高效波浪能发电的浮子设计提供依据。
1 数学模型
1.1 流场控制模型
基于势流理论的计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)计算效率高,是比较
好的仿真方法。然而势流理论是线性理论,不适合于求解强非线性问题。波浪能装置运行时其外表
面为动边界条件,是一个非线性问题,尤其在共振状态具有强非线性特性。研究装置的远场情况时,
可以忽略装置外表面边界条件的非线性,近似求解,但解对研究装置工作没有意义。波浪能技术主
要研究装置近场情况,若忽略其非线性,则解严重失真,求解无意义,因此势流理论不适合于波浪
能发电技术问题,本文采用时均 N-S 方程描述流场研究波浪能技术。不可压缩流体的雷诺平均 N-S
方程为
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∂ui¯¯¯∂xi=0 ∂(ρui¯¯¯)∂t+∂(ρui¯¯¯uj¯¯¯)∂xj=−∂p¯∂xi+ ∂∂xj[μ(∂ui¯¯¯∂xj+∂uj¯¯¯∂xi)−ρ
u'iu'j¯¯¯¯¯¯]+ρfi∂ui¯∂xi=0
∂ρui¯∂t+∂ρui¯uj¯∂xj=-∂p¯∂xi+ ∂∂xjμ∂ui¯∂xj+∂uj¯∂xi-ρui'uj'¯+ρfi
(1)
式中:ρ为流体密度;t 为时间;u为流速;p为压力;μ为水体动力黏度;f 为质量力;x 为空间
位置;下标 i、j、k 均代表空间位置坐标方向;变量带“—”标记的为时均物理量,带“'”标记的为对
应的脉动物理量。本文对 N
⁃
S 方程进行了时均化处理,引入了新的物理量 ρu'iu'j¯¯¯¯¯¯,即雷诺应
力。利用 Boussinesq 假设对雷诺应力进行处理,将其同时均的应变率联系起来:
−ρu'iu'j¯¯¯¯¯¯=−ptδij+μt(∂ui¯¯¯∂xj+∂uj¯¯¯∂xi)−23μt∂uk¯¯¯¯∂xkδij-ρui'uj'¯=-ptδij+μt∂ui¯∂xj+∂uj
¯∂xi-23μt∂uk¯∂xkδij
(2)
式中:μt为湍流黏性系数,取决于流动状态,是空间的函数,而非物理参数;δij为克罗内克符号;
pt为脉动速度造成的压力:
pt=1/3ρ(u'iu'i¯¯¯¯¯¯)=2/3ρKpt=1/3ρui'ui'¯=2/3ρK
(3)
其中:K 为单位质量流体湍流脉动动能。利用 Boussinesq 假设对雷诺平均方程进行处理,为表达
简洁,时均物理量不再加“—”标志:
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∂ui¯¯¯∂xi=0 ∂(ρui)∂t+∂(ρuiuj)∂xj=−∂p∂xi+ ∂∂xj[(μ+μt)(∂ui∂xj+∂uj∂xi)]+ρfi∂
ui¯∂xi=0 ∂ρui∂t+∂ρuiuj∂xj=-∂p∂xi+ ∂∂xjμ+μt∂ui∂xj+∂uj∂xi
+ρfi
剩余10页未读,继续阅读
资源评论
罗伯特之技术屋
- 粉丝: 3944
- 资源: 1万+
下载权益
C知道特权
VIP文章
课程特权
开通VIP
上传资源 快速赚钱
- 我的内容管理 展开
- 我的资源 快来上传第一个资源
- 我的收益 登录查看自己的收益
- 我的积分 登录查看自己的积分
- 我的C币 登录后查看C币余额
- 我的收藏
- 我的下载
- 下载帮助
安全验证
文档复制为VIP权益,开通VIP直接复制
信息提交成功