【摘要】：發(fā)展可再生能源實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展已成為當(dāng)今世界共識(shí)。浩瀚的海洋擁有豐富的可再生能源,而波浪能作為海洋能的一種,其能流密度高、儲(chǔ)量巨大,是一種優(yōu)質(zhì)的可再生能源。振蕩水柱(OWC)波能裝置由于其結(jié)構(gòu)形式和機(jī)械性能簡(jiǎn)單、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而成為世界上應(yīng)用最廣泛的波能裝置。然而,關(guān)于OWC波能裝置的水動(dòng)力性能仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)行深入、系統(tǒng)的研究,如波浪非線性和粘性效應(yīng)對(duì)裝置水動(dòng)力性能的影響規(guī)律尚不明確、關(guān)于裝置生存能力的研究尚為欠缺等;另外,傳統(tǒng)的單氣室OWC波能裝置還存在能量轉(zhuǎn)換效率低、有效頻帶寬度較窄等問(wèn)題,裝置的結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)一步優(yōu)化。本文主要通過(guò)數(shù)值模擬和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)OWC波能裝置的水動(dòng)力性能展開研究和優(yōu)化,以期提高OWC波能裝置的能量轉(zhuǎn)換效率和生存能力,主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)建立了能模擬OWC波能裝置水動(dòng)力過(guò)程的完全非線性勢(shì)流時(shí)域數(shù)值模型。在氣室內(nèi)的自由水面邊界條件引入修正阻尼,等效裝置前墻附近流動(dòng)分離和渦旋脫落等粘性效應(yīng)。采用該模型分別對(duì)單氣室和雙氣室OWC波能裝置的水動(dòng)力過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明該數(shù)值模型能準(zhǔn)確模擬OWC裝置氣室內(nèi)、外波面變化和氣室內(nèi)氣體壓強(qiáng)變化,能夠準(zhǔn)確對(duì)OWC波能裝置的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行預(yù)報(bào)。(2)針對(duì)OWC波能裝置的受力特點(diǎn),引入修正阻尼和氣體壓強(qiáng),對(duì)伯努利方程進(jìn)行了修正。在通過(guò)物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證后,利用修正的伯努利方程對(duì)單氣室和雙氣室OWC波能裝置受波浪荷載情況進(jìn)行了模擬計(jì)算,探明了波浪要素和氣室?guī)缀螀?shù)等對(duì)OWC波能裝置上波浪荷載的影響規(guī)律,克服了物理模型試驗(yàn)只能測(cè)得有限離散點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)的缺點(diǎn)。(3)開展物理模型試驗(yàn)對(duì)單氣室OWC波能裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。系統(tǒng)地探討了波浪要素、氣室?guī)缀螀?shù)(氣室寬度、前墻吃水、氣孔直徑)和海底地形對(duì)OWC波能裝置能量轉(zhuǎn)換效率的影響。揭示了波浪要素和氣室?guī)缀螀?shù)等對(duì)OWC波能裝置能量轉(zhuǎn)換效率的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,首次對(duì)岸式雙氣室OWC波能裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。探明了波浪要素、氣室寬度比、氣室墻體吃水等參數(shù)對(duì)雙氣室OWC波能裝置水動(dòng)力性能的影響規(guī)律。研究表明,相對(duì)于單氣室結(jié)構(gòu),雙氣室結(jié)構(gòu)的OWC波能裝置不僅能提高OWC波能裝置的能量轉(zhuǎn)換效率,而且還能增大裝置的有效頻帶寬度,為OWC波能裝置的進(jìn)一步優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。(4)采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,分析了波浪非線性和粘性效應(yīng)對(duì)單氣室OWC波能裝置水動(dòng)力性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):波浪非線性加強(qiáng)了氣室外側(cè)波浪的反射和基頻波能量向高階諧波的轉(zhuǎn)移,由于高頻波透射能力弱,其能量未能進(jìn)入氣室而降低了OWC波能裝置的能量轉(zhuǎn)換效率;粘性效應(yīng)對(duì)裝置能量轉(zhuǎn)換效率的影響在裝置共振頻率時(shí)最為顯著,因此,在共振頻率下時(shí),能量轉(zhuǎn)換效率隨入射波幅的增大下降得最快;粘性對(duì)OWC裝置氣室墻體外側(cè)波浪力的影響大于對(duì)其內(nèi)側(cè)波浪力的影響。
【圖文】：

１．２波浪能開發(fā)現(xiàn)狀分析逡逑波浪能是一種最顯著的海洋能，具有可觀的發(fā)展前景。關(guān)于波浪能轉(zhuǎn)換裝置的首項(xiàng)逡逑專利記錄是在１７９９年，作者是法國(guó)一對(duì)名為Ｇｉｒａｒｄ的父子ＭＬ邋１９７３年爆發(fā)的石油危機(jī)逡逑使得人們開始關(guān)注可再生能源，，這對(duì)波浪能的發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用。１９７４年愛丁逡逑堡大學(xué)的ＳｔｅｐｈｅｎＳａｌｔｅｒ在《自然》雜志上發(fā)表了一篇題為“波浪能”的文章［１６］，使得波逡逑浪能引起了全世界科學(xué)界的關(guān)注，對(duì)波浪能發(fā)展具有里程碑意義［１７］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，關(guān)于波浪逡逑

邐大連理工大學(xué)博士學(xué)位論文邐逡逑島建的裝機(jī)容量為７５邋ｋＷ的小型岸式ＯＷＣ波能發(fā)電裝置［３Ｇ］。直到１９９１年歐盟把波浪逡逑能作為他們可再生能源研發(fā)項(xiàng)目之一，歐洲國(guó)家對(duì)波浪能的研宄從基礎(chǔ)研宄、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)逡逑到建設(shè)才重新煥發(fā)活力。之后，建成了多座波力發(fā)電站，著名的有１９９９年建成的葡萄逡逑牙Ｐｉｃｏ島４００邋ｋＷ邋ＯＷＣ波力發(fā)電裝置［３｜］（見圖１．３（ａ）），該裝置一直運(yùn)行直到２０１８年逡逑４月１７日在一場(chǎng)大風(fēng)暴中倒塌（見圖１．３（ｂ）），才因安全問(wèn)題要進(jìn)行維修，退出電網(wǎng)陽(yáng)，逡逑３３］；邋２０００年建成的英國(guó)蘇格蘭Ｉｓｌａｙ島５００邋ｋＷ的ＬＩＭＰＥＴＯＷＣ波力發(fā)電裝置［３４］。２００８逡逑年西班牙Ｍｕｔｒｉｋｕ港建成了與防波堤集成的ＯＷＣ波力發(fā)電裝置［３５］�；谂c防波堤結(jié)合逡逑的理念，意大利學(xué)者Ｂｏｃｃｏｔｔｉ提出了邋Ｕ型ＯＷＣ波能裝置的概念ｔ３６，３７］。意大利于２０１２逡逑年開始在Ｃｉｖｉｔａｖｅｃｃｈｉａ港建立了一座Ｕ型ＯＷＣ波能轉(zhuǎn)換裝置［３８］。逡逑其他一些沿海國(guó)家也積極投入到波浪能開發(fā)利用當(dāng)中，比如澳大利亞曾準(zhǔn)備建造一逡逑座１邋ＭＷ的大型固定式ＯＷＣ波能發(fā)電裝置ＧｒｅｅｎＷＡＶＥ，但在安裝運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)了逡逑事故，導(dǎo)致安裝失敗。逡逑
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：P743.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2693761