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梳式防波堤-OWC波能装置集成系统水动力特性的试验研究

梳式防波堤-OWC波能装置集成系统水动力特性的试验研究

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作者：周加春哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

振荡水柱(Oscillating Water Column,OWC)式波能装置结构简单、可靠性高,是当前应用最为广泛的波浪能装置。与传统沉箱防波堤结构型式相比,梳式防波堤(Comb-type Breakwater,CTB)可以减小地基应力与防波堤前波浪荷载,节省建造材料,促进... 详细信息

振荡水柱(Oscillating Water Column,OWC)式波能装置结构简单、可靠性高,是当前应用最为广泛的波浪能装置。与传统沉箱防波堤结构型式相比,梳式防波堤(Comb-type Breakwater,CTB)可以减小地基应力与防波堤前波浪荷载,节省建造材料,促进港区内外水体交换。波浪能装置与海工结构物集成系统可以共享基础单元,降低建造成本,提高波浪能装置的生存能力。OWC波能装置与防波堤的结合是最有应用前景的波浪能发电集成系统,可为港口发展和沿海城市开发提供清洁能源。本文提出一种梳式防波堤与振荡水柱式波能装置集成系统(下文简称“CTB-OWC集成系统”),以CTB-OWC集成系统为研究对象,采用物理模型试验方法,探究CTB-OWC集成系统的气动性能、消浪性能、波能俘获效率和受力特性的影响因素,对捕能气室开孔率、入射波浪非线性、梳齿结构长度的影响展开研究,旨在优化CTB-OWC集成系统结构形式,提高装置的消浪性能、波浪能转换效率和极端波浪下的生存能力,为CTB-OWC集成系统的设计提供理论依据。具体开展以下研究:首先,基于物理模型试验对CTB-OWC集成系统气动性能、消浪性能、波能俘获特性和受力特性影响因素展开探讨。在规则波作用下从气室开孔率、波浪非线性、梳齿长度的角度分别阐述不同因素对集成系统的影响规律。试验结果表明捕能气室开孔率增大,CTB-OWC集成系统静水面内侧波浪荷载在低频区内呈现增大趋势,但是在高频区内呈现相反趋势。随波浪非线性增大集成系统的反射系数在低频区内增大,在高频区内减小。梳齿结构在低频区会降低气室内的波高与空气压强,在高频区呈现相反趋势;当梳齿长度大于1/3沉箱长度时,对CTB-OWC集成系统反射系数及波能俘获效率影响显著。随后,在规则波作用下分别开展OWC装置波能俘获效率试验和梳式防波堤消浪性能试验,探究OWC波能装置对梳式防波堤消浪性能的影响规律,以及梳式防波堤对OWC装置波能俘获效率的影响规律。研究结果表明OWC波能装置可以降低梳式防波堤的透射系数,提高消浪性能;梳式防波堤可以增大OWC波能装置捕能气室内空气压强,有利于提取振幅较小海况下的波浪能量。最后,在聚焦波作用下开展捕能气室开孔率和波浪非线性对OWC波能装置前墙受力特性的影响研究。研究表明最大波浪荷载出现在静水面附近;在气室前壁底部谷值荷载大于峰值荷载;随波浪非线性增大,静水面以上位置波浪荷载增大,静水面及以下测点波浪荷载减小。

关键词：梳式防波堤 OWC波能装置消浪性能波能俘获特性聚焦波

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