考虑极端波浪的新型可阵列化波浪发电装置水动力优化研究

作     者：朱玲 

作者单位：华南理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡金鹏

授予年度：2019年

学科分类：080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：波浪发电 数值计算 水动力性能优化 极端波浪 新型可阵列化 

摘      要：相比其它形式的海洋可再生能源,波浪能具有能流密度高和分布范围广的优点,其时空分布特性决定了波浪发电技术在海岛和深远海的资源开发方面具有特殊的优势和广阔应用前景,但波浪发电装置走向成熟需要经过理论研究、初步设计、数值优化、模型实验和实海况验证五个阶段性的漫长循环过程,同时发电装置在获取波浪能的同时还可能承受各种极端波浪的破坏作用,因此目前波浪发电产品常常因其性价比不高而未实现规模产业化,在制约其产业化的众多技术难点中,装置的水动力性能优化是一个重点环节,其研究将具有重要的水动力学理论意义和工程实际意义。本文将针对一种新型的密闭气动式双浮体波浪发电装置进行研究,装置的核心技术是通过上下浮体间的相对垂荡运动捕获能量,装置的上浮体质量和外形设计对装置吸收波浪能的影响最为直接,同时装置受到的极端波浪力的安全性问题也最为突出,因而装置上浮体的水动力性能优化对于装置的吸收能量效率和安全性能都十分重要,另外装置的阵列化研究对于波浪发电的产业化也具有重要意义,另外因为系泊部分对该装置主要起到水平限位的作用,为了突出本文的研究重点,文中的研究暂时忽略了系泊部分的影响。文中首先开展了上浮体最优型式的确定工作,为此本文选取了三种简单常见的上浮体形状,分析比较了上浮体形状参数对自由垂荡双浮体水动力响应的影响;并考虑双浮体波浪发电装置的能量采集输出系统是线性的弹簧阻尼系统,基于势流理论建立双浮体系统在垂荡方向上的频域运动方程并求解,理论分析发现阻尼对系统固有周期及垂荡运动的影响较大,而刚度的影响较小;进一步利用AQWA对双浮体系统在规则波下进行时域分析,得到了双浮体系统的垂荡运动响应及对波浪能的瞬时吸收功率,为了验证数值模拟结果的可靠性,本文还对三种不同上浮体型式的发电装置进行了规则波物理模型实验,实验结果与数值模型计算的时域结果进行对比基本吻合,通过以上研究确定了在本文波浪范围条件下合适质量的平底柱形为上浮体的最优型式。其次,为了考虑双浮体装置在恶劣海况极端波浪作用下的安全性能,文中基于一种特殊的极端随机波浪——畸形波生成理论,采用Matlab建立了畸形波生成的数值模型,进而利用AQWA-Drift导入畸形波的波面时程曲线进行时域分析,得到双浮体系统的垂荡响应并进行装置的可靠性分析,结果表明在畸形波作用瞬间,系统的垂荡位移、速度和波浪力都剧烈变化,双浮体间的弹簧张力和单点系泊的缆绳张力也产生瞬间极大突变,这些对装置的可靠性来说都是极其不利的,文中基于计算结果给出了装置加强的可靠建议。最后,考虑到未来波浪发电能够实现规模产业化,文中在双浮体系统水动力性能优化分析的基础上,针对直线式、矩形式和圆周式三种阵列形式,基于AQWA建立的频域和时域数值模型对阵列波浪发电装置展开了优化研究,研究不同排列方式、排列间距及波浪参数对波浪能装置阵列系统的运动特性及吸收效率的影响,最终确定在本文波浪范围条件下合适间距的圆周式阵列是最为理想的阵列模型。本文通过理论解析、数值计算和物模实验三种研究手段分析了不同波浪条件下一种新型双浮体波浪发电装置的水动力学性能,开展了不同上浮体型式优化、阵列形式的优化和极端波浪条件下的安全可靠性等研究工作,最终的研究成果和建议可为我国的波浪发电利用研究和产业发展提供有意义的科学参考价值。