浮力擺式波浪能裝置的水動(dòng)力性能研究.pdf

1、目前海洋波浪能開(kāi)發(fā)備受關(guān)注，在眾多的波浪能利用技術(shù)中，浮力擺技術(shù)的頻率響應(yīng)范圍寬、轉(zhuǎn)換效率較高、抗浪能力強(qiáng)、可擴(kuò)展性好，因而極具開(kāi)發(fā)前景。在國(guó)外，某些浮力擺式波浪能裝置已接近商業(yè)化，而在國(guó)內(nèi)，浮力擺裝置的研發(fā)卻相對(duì)滯后。由于海況條件的巨大差異，為將浮力擺式波浪能利用技術(shù)成功應(yīng)用于我國(guó)，結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)地自主研發(fā)是必不可少的，而水動(dòng)力性能研究是其中的基礎(chǔ)性工作?？紤]到我國(guó)日常波浪較小、極端天氣較頻繁的海況條件，波浪能裝置的水動(dòng)力

2、性能研究就顯得尤其重要。
　　 本文針對(duì)我國(guó)海況條件，采用理論分析、數(shù)值模擬和模型實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究了浮力擺式波浪能裝置的水動(dòng)力性能，著重分析了PTO阻尼特性和參數(shù)變化對(duì)裝置水動(dòng)力性能的影響。
　　 基于線性波理論推導(dǎo)了波浪對(duì)浮力擺作用的二維解析解，采用解析解研究了浮力擺裝置的基本動(dòng)力特性，分析了水深、板寬、板厚、板密度等參數(shù)對(duì)裝置水動(dòng)力性能的影響。研究表明：二維情況下，浮力擺裝置的最大俘獲寬度比為50％，水深

3、對(duì)裝置水動(dòng)力性能的影響較大，板厚和密度的影響較小。當(dāng)PTO阻尼采用低頻輻射阻尼時(shí)，裝置的俘獲寬度比與滿足阻尼匹配條件的情況下基本相同，當(dāng)采用的PTO阻尼與低頻輻射阻尼值差別較大時(shí)俘獲寬度比顯著降低。
　　 采用頻域勢(shì)流模型，分析了水深、板寬、板厚和板密度4個(gè)參數(shù)對(duì)裝置水動(dòng)力性能的影響，著重討論了波周期5.0s左右的情況，針對(duì)兩種典型阻尼條件進(jìn)行了對(duì)比分析。通過(guò)解析方法討論了擺板密度對(duì)裝置水動(dòng)力性能的影響，提出了最佳密度的概念，給

4、出了存在最佳密度的頻率區(qū)間，并針對(duì)我國(guó)的典型海況進(jìn)行了裝置水動(dòng)力性能的簡(jiǎn)要優(yōu)化分析。研究表明：對(duì)于日常周期5.0s左右短波海況，應(yīng)盡可能提高裝置在小于固有周期的波周期范圍的水動(dòng)力性能；對(duì)于日常周期6.0s以下的短波海況，為了使裝置具有良好的水動(dòng)力性能，PTO阻尼采用周期Ss對(duì)應(yīng)的最佳線性阻尼是一個(gè)比較理想的選擇；在各工況全部采用周期5.0s的最佳阻尼的情況下，水深越大，轉(zhuǎn)換功率和俘獲寬度比的峰值越小，板寬對(duì)裝置水動(dòng)力性能影響較小，板厚增

5、加裝置水動(dòng)力性能提高。對(duì)于水深5.0m、波周期5.0s的海況條件，在采用最佳線性PTO阻尼的情況下，裝置的優(yōu)化寬度可取8.0m，優(yōu)化厚度可取1.6m，并應(yīng)盡量減小擺板密度。
　　 采用時(shí)域勢(shì)流模型分析了恒定PTO阻力矩(一種典型的非線性阻尼)條件下浮力擺裝置的水動(dòng)力性能，并簡(jiǎn)要分析了浮力擺的受力情況。研究表明，采用線性阻尼時(shí)浮力擺的動(dòng)力響應(yīng)更加規(guī)則、平穩(wěn)，而采用較大的恒定阻力矩時(shí)浮力擺的動(dòng)力響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的不規(guī)則現(xiàn)象；線性PTO

6、阻尼和恒定PTO阻力矩兩種情況下，裝置水動(dòng)力性能受擺板參數(shù)的影響情況類(lèi)似，波浪和擺板參數(shù)相同時(shí)裝置的最高俘獲寬度比基本相同。水深5m、入射波周期為4.0s～11.5s的情況下，采用寬8m、厚1.6m、密度300kg/m3浮力擺，TPTO=0.4～0.6Tex時(shí)，裝置的轉(zhuǎn)換功率在25kW～60kW之間，俘獲寬度比在0.6～1.0之間。
　　 研制了浮力擺裝置的物理模型，首次采用磁粉制動(dòng)器模擬波浪能裝置的PTO阻尼。通過(guò)大比尺水槽試

7、驗(yàn)分析了浮力擺的固有周期、波能功率的非線性影響、PTO阻尼特性等，研究了規(guī)則波條件下浮力擺擺幅、轉(zhuǎn)換功率和俘獲寬度比隨波況、激磁電流的變化情況，討論了波幅、水位變化和擺板密度對(duì)裝置水動(dòng)力性能的影響，并簡(jiǎn)要分析了不規(guī)則波條件下裝置的水動(dòng)力性能以及擺板表面波壓力的情況。研究表明：試驗(yàn)波面的非線性對(duì)波能功率的影響不大；PTO阻力矩的模擬結(jié)果與恒定阻力矩存在較明顯差別，波周期對(duì)裝置的PTO阻尼特和和浮力擺擺幅有著顯著影響；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在周期5