【摘要】：以石油、煤炭、天然氣為代表的傳統(tǒng)能源的過度利用,使得人口、環(huán)境、能源之間的矛盾日益突出。如何協(xié)調好三者之間的關系是各個國家發(fā)展所必須面臨和解決的關鍵問題。在此種形勢下,波浪能以其分布廣泛、能流密度大、無污染、可再生等諸多優(yōu)勢在綠色能源中脫穎而出,受到各個海洋大國的追捧。在諸多波浪能發(fā)電裝置中,振蕩浮子式波能轉化裝置被公認為最具開發(fā)潛力的波浪能轉化方式。基于振蕩浮子式波能轉換裝置的實際工程應用,本文選取圓臺形式的振蕩浮子作為拾能機構,分別對影響該波能轉換系統(tǒng)俘獲效率的主要因素進行了物理模型試驗及數(shù)值仿真研究。針對影響振蕩浮子式波能發(fā)電裝置工作性能的關鍵因素,主要進行了以下工作:首先,采用倒圓臺形狀浮子和固定圓柱的組合體作為波能俘獲系統(tǒng)進行物理模型試驗,在規(guī)則波環(huán)境下,著重考察入射波波高、周期及浮子初始吃水深度對俘能系統(tǒng)水平波浪力、浮子垂向加速度及能量吸收效率的影響,得出該波能俘獲裝置所受水平波浪正向力、垂向加速度及初級能量俘獲效率與波浪要素及浮子初始吃水之間的作用關系,并給出了試驗工況下的最佳俘能周期,并為后續(xù)數(shù)值模擬算例的設置提供一定參考。其次,為了平衡數(shù)值計算耗時和計算精度,本文采用Gambit前處理軟件建立了二維數(shù)值水槽,基于OpenFOAM的造波工具包waves2Foam進行了數(shù)值收斂性測試,初步確定水槽長度和波高范圍內的網(wǎng)格數(shù)量,為三維數(shù)值水槽的建立提供網(wǎng)格方案參考。再次,在完成上述工作基礎上,采取數(shù)值模擬進一步分析了浮子的垂向運動響應。首先建立了三維粘性數(shù)值水池,對其造波效果進行驗證;將圓柱形浮子和圓臺形浮子在同種入射波環(huán)境下的垂向運動響應情況進行對比分析,驗證了浮子選型的正確性;進而在水槽中加入圓臺形浮子與固定圓柱的組合體模型,導入OpenFOAM中進行數(shù)值計算;將同種波浪環(huán)境下數(shù)值計算得到的系統(tǒng)波浪力與物理模型試驗結果進行對比,證明數(shù)值計算的可靠性;然后分別分析了入射波波高、周期及浮子初始吃水深度對浮子垂向運動響應的影響,尋找浮子垂向運動響應較好的波浪環(huán)境和浮子初始浸沒深度。最后,為了研究陣列式振蕩浮子發(fā)電裝置的工作性能及各浮子之間運動響應的影響,本文選取三個同等尺度圓臺形浮子呈圓周式排列,在三維數(shù)值水槽中進行了數(shù)值模擬,初步分析了陣列式浮子發(fā)電裝置中各浮子之間動力響應和垂向運動響應的相互影響情況、陣列式浮子系統(tǒng)的整體波能轉化效率。結果表明:本文陣列式浮子系統(tǒng)中各浮子之間的垂向運動響應影響不大,浮子系統(tǒng)具有較高的能量轉化效率。綜上所述,本文主要采取物理模型試驗及數(shù)值模擬相結合的思路,對影響振蕩浮子俘獲裝置力學性能及俘能效率的主要因素進行了相關研究,為實際工程中特定海域波能轉化裝置的研發(fā)提供一定的參考。
【學位授予單位】：江蘇科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P743.2;TM612

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本文編號：2733324