离岸式振荡水柱波能装置的理论及数值研究

基于势流理论, 利用匹配特征函数展开法,求解微幅波与离岸式振荡水柱（OWC）波能转换装置相互作用的边界值问题. 借助FLUENT软件及其用户自定义函数（UDF）,建立二维完全非线性波-OWC装置数值模型. 从理论和数值上分析OWC装置吃水深度、气室宽度以及墙体厚度对波能转换效率的影响,解析解和数值结果吻合较好.依靠数值模型,模拟波高变化对OWC装置工作效率的影响. 研究表明：OWC装置吃水深度的增加会导致高效频率带宽变窄,峰值向低频区移动;墙体厚度的增加会导致高频区波能转换效率下降,但对低频区影响较小;气室宽度的增大会导致高效频率带宽变宽,峰值向低频区移动;波高的增大会导致波能转换效率下降,在共振频率附近尤为明显.     

弹簧刚度对嵌入式振荡水柱波能装置水动力性能的影响

提出嵌入方箱式防波堤的垂荡式振荡水柱（OWC）波能装置,利用开源计算流体动力学库OpenFOAM及工具箱waves2foam,对该波能装置的能量转换效率和水动力特性开展数值研究.采用流体体积法（VOF）捕捉气液界面,利用Rigid-Body Dynamic网格技术求解垂荡运动.在不同入射波频下,探究垂直线性弹簧约束（用无量纲弹簧刚度表示）对OWC波能装置的波能转换效率、反射系数、透射系数、能量耗散系数、相对压降、有效相对振荡幅度和相位差等的影响.结果表明,结构物适当的垂荡运动有利于提升OWC装置在特定频率条件下的波能转换效率;振荡水柱和结构物间的运动相位差是决定能量转换效率的关键因素;为了提升能量转换效率,调节结构物的垂荡运动来控制相位差的措施是可行的.     

振荡水柱式防波堤的水动力特性

提出一种带水平底板的振荡水柱式新型防波堤. 借助二维物理波浪水槽,研究结构系统在3种不同水平底板宽度、12种不同波浪周期下的水动力特性. 通过实验探究波高对防波堤模型相关水动力参数的影响. 结果表明：合理布置水平底板能有效提升振荡水柱式防波堤的阻波性能;当水平底板宽度等于模型板间宽度时,入射波周期小于1.6 s的波浪的透射系数小于0.5;当水平底板宽度增大到2倍模型板间宽度时,入射波周期小于2.2 s的波浪的透射量小于50%. 水平底板的存在增加了系统的能量耗散,提高了系统对长波区间波浪的阻挡性能;波高的变化对相关水动力参数影响不大.     

复杂圆柱型波能装置能量转换特性研究

针对波能装置转换效率优化问题,基于线性规则波理论和粘性阻尼建立了复杂圆柱形振荡浮子的一维运动方程,从而得到了振荡浮子的固有频率和阻尼因素表达式,并推导了最佳阻尼和最佳弹簧下波能装置的最优转换效率表达式.研究中采用分离变量法得到了整个无限区域的势函数表达式及振荡浮子附加质量、阻尼系数和波浪激励力表达式.数值计算发现,在某些工况和波浪频率下,振荡浮子的阻尼系数为负值,理论上说明波能装置有发生尖锐共振的条件,此时波能装置将吸收无穷多的波浪能量.     

排桩式波浪能发电装置附近流场特性研究

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和k?ω湍流模型,研究单排桩式振荡水柱式波浪能发电装置在规则波作用下的桩基附近流场特性. 通过物理模型实验验证所建数值波浪水槽的准确性. 模拟规则波作用下装置附近的流场特性,分析装置附近的涡特征以及其对装置附近泥沙冲刷情况的潜在影响. 结果表明,测试工况下,在桩式振荡水柱装置桩柱体的桩基附近观察到马蹄涡和尾涡现象,马蹄涡强度随着Keulegan–Carpenter（KC）数的增大而减小,尾涡强度随着KC数的增大而增大. 马蹄涡因强度过小,在模拟的KC数范围内不是装置桩基泥沙冲刷的主要因素,高强度的尾涡很可能成为装置桩基附近泥沙起动、输运和冲刷的重要影响因素.     

海洋波浪能发电装置研究进展

为准确把握海洋波浪能利用技术的发展情况,以海洋波浪能发电装置为出发点,综述当前的重要研究进展.波浪能装置形式尚未收敛,以不同的能量捕获方式为分类原则,介绍振荡水柱式、越浪式和振荡体式3类主流装置的工作原理及其能量转换系统.分析每类装置的优缺点,选取典型工程装置展开详细的介绍.对我国已经完成海试的工程装置情况进行整理,发...     

TCSC改善波浪发电系统的性能分析

比较各种波能转换装置优缺点,并对振荡水柱式发电装置并网运行进行建模.当波浪发电系统并网时,采用TCSC对系统进行无功控制并提高电压稳定性.在正常运行和线路发生故障2种情况下,分别分析TCSC对波浪发电系统的影响.研究结果表明,TCSC所表现的补偿线路阻抗的能力在稳定电压、抑制系统振荡等方面有较好的作用;采用TCSC后的系统静态输送功率极限和暂态稳定性都得到了较大提高.     

复杂形状波力直线发电装置的优化

针对漂浮式波浪能转换装置的能量转换特性问题,以漂浮双浮体直线发电波浪能装置为研究对象,基于线性波理论和粘性阻尼理论,建立了复杂形状波能装置的双自由度受迫振动方程,推导了最佳弹簧和最佳阻尼下波能装置的最佳吸收功率函数表达式和相对位移幅值表达式;基于边界元方法的Hydro Star软件计算了复杂形状波能装置水动力学系数和波浪激励力。数值计算表明:在满足装置吸收最大功率的条件下,最佳弹簧系数在一定波况下出现了负值;在无弹簧的最佳阻尼条件下,装置的相对位移幅值小于波幅,波浪能功率和俘获宽度比在给定入射波周期范围内出现峰值。     

中科院广州能源所1kW自航式波浪能装置河试成功

<正>2017年1月7日,中国科学院广州能源研究所自主研发的1k W自航式波浪能小型样机在广东顺德容奇西江河面航行试验成功。1k W自航式波浪能装置基于单浮体波浪能量转换不受四周遮挡影响、尾部造波少、运动避台风的理念研制建设,采用振荡水柱转换技术,长5.2m、宽2.3m,推进器功率约为86.79k W,具有较高的将波浪     

复合式波浪能捕获机构设计研究

本文介绍了一种同时捕获沿水平和垂直方向的复合波浪能捕获装置,在现有的振荡浮子波能捕获模型和摆式波能捕获模型基础上,初步建立了复合式波能捕获装置的理论模型,并作了初步的结构模型设计,进行了能量捕获影响因素的初步分析。     

波浪能发电装置浮体形状参数对俘能性能影响

为明确振荡浮子式波浪能装置浮体形状参数对俘能性能与工作稳定性的影响, 建立线性能量输出系统作用下的浮体频域计算模型, 推导俘能功率与俘能宽度比的计算公式, 介绍浮体频域数值模拟步骤, 运用ANSYS-AQWA软件开展研究, 计算并对比不同底面形状和圆台半顶角下浮体的俘能功率与俘能宽度比, 探讨浮体形状参数对其俘能性能的影响规律, 为适用于锚泊浮台的波浪能供电装置浮体形状参数优化提供理论基础。研究结果表明:相对于圆锥和圆球底面, 圆台底面的实际制作可行性高, 且在中频波段的俘能性能与俘能稳定性均优于一般圆柱浮体; 上大下小型圆台浮体的俘能性能和工作稳定性较好, 半顶角增加时, 浮体的俘能性能增加且可改善浮体的中频俘能性能, 可根据工作波况合理选择最佳的半顶角, 使得浮体具有最佳的俘能性能与工作稳定性。     

摆式振荡翼塔筒尾涡潮流能捕获系统的水动力性能分析

为实现对海上风电场中潮流能有效利用,提出一种将振荡水翼潮流能捕获装置与海上风力机水下塔筒结合的摆式振荡翼塔筒尾涡潮流能捕获系统。联合格子玻尔兹曼和大涡模拟方法,对NACA0015翼型在有无塔筒尾流效应时,不同运动参数对其水动力特性及能量收集效率的影响进行数值分析,并从水翼运动过程中的旋涡结构分析了俯仰振幅、升沉振幅及振荡翼弦长对系统捕能效率的影响。结果表明,塔筒尾涡显著提升振荡翼的能量收集效率,同时振荡翼的加入能减慢塔筒涡脱,降低由钝体绕流引起的疲劳载荷。摆式振荡翼在塔筒尾涡区域内的捕能效率最高可达30.72%,与传统振荡翼潮流能捕获装置相比具有明显优势,为提高海上风场整体能源利用率提供了一种有效的方式。     

经典形状浮子固有周期下水动力学特性研究

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...     

黏弹性节理岩体中应力波的传播特性分析

为探究黏弹性节理对应力波在岩体中传播规律的影响,引入饱依丁-汤姆逊模型作为位移不连续条件,基于时域递归方法推导出应力波通过一组平行黏弹性节理的传播方程;通过将饱依丁-汤姆逊模型退化为Maxwell模型和Kelvin模型所得的时域递归数值解与已有的频域内封闭解对比,验证推导过程的正确性;最后,对相关参数的影响规律进行分析。结果表明：模型无量纲系数、无量纲节理厚度、无量纲节理间距和入射角等都对波的传播产生影响;对于单条节理,应力波的透反射系数以及能量耗散率主要取决于位移不连续模型的无量纲参数、入射角及无量纲节理厚度;而对于一组平行节理,透射系数还和平行节理数与节理间距的大小有关,且节理条数的增加对入射临界角位置处透射波振幅的衰减影响更为明显。     

软交换信令虚拟引接技术研究

基于微带线的分布参数,运用时域BLT方程计算了其脉冲响应、瞬态特性阻抗(导纳)、瞬态反射系数及瞬态负载电压;并运用时域BLT方程分析了不同导带宽度、厚度、不同介质层厚度及相对介电常数对瞬态响应的影响。仿真结果表明,导带宽度较宽、介质层厚度较薄、介质层相对介电常数较大的微带线能更多地消耗耦合能量,从而在一定程度上提高印制电路板(PCB)的电磁防护能力,但导带厚度对微带线的电磁防护性能影响不大。     

微带型交指线慢波结构的冷测特性分析

采用有限积分高频电磁仿真软件对微带型交指线慢波结构进行理论分析、结构设计和模拟计算。分析了交指线慢波结构的色散特性和耦合阻抗等冷测特性,并且对影响慢波电路特性的结构参数如交指宽度、交指厚度和交指长度对其冷特性的影响进行了仿真和分析,同时提出了两种改进的交指线慢波结构,并对其进行了冷特性的分析。结果表明:交指线长度和宽度对色散特性的影响较大,交指厚度的影响不大。而改进型的两种交指结构使得慢波电路的工作频带变宽,增强了耦合阻抗,电磁波与电子注的互作用得到了加强,能量的转换效率有了提高,对于交指线慢波结构的冷测特性有积极的影响。     

MFC俘能器振动发电模型及负载特性研究

传统压电俘能器陶瓷层易碎,无法满足低功耗无线传感网络节点长时间供电要求。现采用柔韧性更好,使用寿命更长的压电纤维复合材料MFC作为压电俘能器。参照压电陶瓷振子的振动发电模型,建立了悬臂梁式MFC俘能器的振动发电模型,得出影响输出功率以及能量转换效率的各种因素,研究MFC的输出功率、能量转换效率与负载之间的关系。负载特性实验表明,该模型理论值和实验值虽存在一定误差,但能够较为准确揭示MFC输出功率、能量转换效率与负载之间的变化规律。     

重叠网格技术下振荡水翼的水动力特性

为研究运动参数对于振荡水翼在潮流中获能效率的影响,给出水翼高获能效率时的运动参数分布规律,提高振荡翼式潮流能发电装置的获能效率。基于重叠网格技术建立了振荡水翼的数值计算模型,并对网格的有效性进行了验证,通过改变水翼的折算频率f*、摆角幅值θ₀、升沉振幅h₀等运动参数,对二维振荡水翼的水动力特性及相应的获能效率进行了研究,分析了涡脱落对水翼运动过程中获能效率的影响;同时研究了双翼之间形成翼地效应时的压力分布,分析了该情况时水翼的水动力特性以及翼地效应对获能效率的影响。结果表明:合理规划振荡水翼的折算频率、摆角幅值、升沉振幅、转轴位置等参数均可以提高水翼的能量捕获效率;水翼在振荡运动过程中,涡脱落的产生将会影响到水翼的获能效率;平行对称双水翼之间的翼地效应会使双翼之间的流域形成高压区,提高水翼升力;增加的升阻比有利于提高水翼的能量捕获效率,在双翼最小间距缩小时,水翼的获能效率会因地面效应作用的增强而提高。     

水翼振荡运动捕获潮流能的机理研究

为了揭示水翼发生振荡运动而捕获潮流能的机理,根据流体力学的基本理论,建立水翼振荡运动的模型.利用商用软件ANSYS Fluent对水翼的运动过程进行数值模拟,分析水翼运动对周围流场的影响,讨论水翼的运动参量、尺度参数等对水翼的水动力特性和能量捕获性能的影响规律,获得水翼在流体作用下的动力响应特性.结果表明：水翼的捕能总效率随运动参量变化的过程存在拐点,将水翼的运行参数设置在最高效率点对应的参数下,能够减小瞬时升力系数、瞬时阻力系数、瞬时功率系数各系数曲线的振荡突变现象,但该参数设置下的水翼功率输出未必能够达到最大;升沉运动捕获的能量与水翼厚度呈正相关,俯仰运动捕获的能量与水翼厚度呈负相关;水翼几何参数对水翼工作性能的影响程度与流体黏性的影响密切相关.     

头部喷气航行器高速入水空泡特性数值分析

航行器在高速入水的过程中会受到巨大的冲击载荷作用,它会破坏航行器结构并损坏内部仪器,因此开展航行器入水缓冲机理的研究是很有意义的。使用一种带圆盘空化器的头部喷气装置,在气液固三相耦合下,航行器入水过程产生了复杂的空泡形态。开展了加装头部喷气装置的航行器高速入水数值模拟研究,通过对典型工况下入水空泡的分析,得到如下结论:加装头部喷气装置后航行器入水空泡由锥形逐渐变化为纺锤形;与不喷气时相比,喷气可促进入水超空泡的生成,减小入水过程中航行器与水的作用面积,降低该过程中的冲击载荷;同一入水深度下,空泡直径随喷气量而增大。入水速度对空泡形态差异性影响较大,其中入水速度100 m/s以下时可在3.5倍弹长的入水深度内观察到入水深闭合现象。入水角对空泡形态有明显影响,斜入水时空泡呈现明显不对称性,且空泡直径与长度随入水角增大而减小。研究内容为航行器高速入水降载的工程实际提供了技术支持,所得结论在相关领域具有重要意义。