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集成波能转换功能的方箱—挡浪板式浮式防波堤水动力特性研究

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海洋工程 2021年第5期39卷 50-58页

作者：纪巧玲徐成浩刘庆凯山东科技大学山东青岛266590

浮式防波堤与振荡浮子式波浪能转换装置集成是一种较为合理的波浪能开发利用方式,基于方箱式浮式防波堤—波浪能转换集成系统和幕帘式防波堤的研究成果,提出了一种新型方箱—垂直挡浪板式浮式防波堤—波浪能转换集成系统,建立数学模型... 详细信息

浮式防波堤与振荡浮子式波浪能转换装置集成是一种较为合理的波浪能开发利用方式,基于方箱式浮式防波堤—波浪能转换集成系统和幕帘式防波堤的研究成果,提出了一种新型方箱—垂直挡浪板式浮式防波堤—波浪能转换集成系统,建立数学模型对该集成系统的水动力特性和能量输出特性进行研究。模型基于N-S方程,采用紧致插值曲线(CIP)方法结合浸没边界法(IBM)求解。运用数值模型探究在一定波浪条件下,动力输出系统(PTO)阻尼力的大小以及挡浪板对集成系统的水动力特性和能量转换特性的影响,得到如下结论:集成系统的俘获宽度比随PTO阻尼力的增大呈现先增大后减小的趋势,在阻尼力FPTO=150 N时达到最大;相对于方箱型集成系统,增设0.1 m挡浪板后可使其最大俘获宽度比ηe提高33%左右;此外,集成系统的俘获宽度比随挡浪板长度增加而增大,增长趋势逐渐变缓,在挡浪板长度Sp=0.5 m时达到最大,此时俘获宽度比ηe=0.5631。

关键词：浮式防波堤集成系统挡浪板波能转换效率消波性能 N-S方程

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汽车炸弹爆炸作用下防爆墙防护效应试验研究

工程爆破 2020年第4期26卷 81-88页

作者：张志刚曹洪瑞冷冰林空军工程大学航空工程学院西安710038 南部战区空军保障部机营处广州510000

为了检验不同构筑方式的快速拼装式防爆墙组合防护性能,利用皮卡车承载602 kg TNT制作的汽车炸弹进行实爆来模拟恐怖袭击。试验表明:汽车炸弹爆炸对墙后目标的破坏作用主要是由于顶部绕射的冲击波造成的,其消波性能的主要影响因素是墙... 详细信息

为了检验不同构筑方式的快速拼装式防爆墙组合防护性能,利用皮卡车承载602 kg TNT制作的汽车炸弹进行实爆来模拟恐怖袭击。试验表明:汽车炸弹爆炸对墙后目标的破坏作用主要是由于顶部绕射的冲击波造成的,其消波性能的主要影响因素是墙体高度,且当墙体布设高度大于2 m时,防爆墙的消波效应可达81%以上,同时,在墙后1~2.5倍墙高处增设一道消波墙,可提高防爆墙的消波效应;防爆墙对墙后活体目标具有较好的防护能力,能有效抵抗汽车炸弹的袭击损伤。

关键词：汽车炸弹防爆墙抗倾覆性能消波性能

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农业部推荐成果

农业科技通讯 1994年第2期 34-35页

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功能性人工鱼礁的结构和布局优化研究

功能性人工鱼礁的结构和布局优化研究

作者：孙明波上海海洋大学

学位级别：硕士

建设加速期的海湾型、离岸深水型、滩涂型现代化海洋牧场已覆盖黄渤海等四大海域。其中滩涂型和统筹空间融合为特征的“海洋牧场与海上风电融合发展”的示范区为创新驱动的现代化海洋牧场注入了不竭动力。沿岸滩涂型海洋牧场以水深浅,... 详细信息

建设加速期的海湾型、离岸深水型、滩涂型现代化海洋牧场已覆盖黄渤海等四大海域。其中滩涂型和统筹空间融合为特征的“海洋牧场与海上风电融合发展”的示范区为创新驱动的现代化海洋牧场注入了不竭动力。沿岸滩涂型海洋牧场以水深浅,受到风、浪和流加之风暴潮等恶劣天气的影响较大,底质常常发生较为严重冲刷和淤积;设计出防滩涂底质冲刷、消波性能优、集鱼效果良好的消浪导流型人工鱼礁就显得尤为重要。“海上风电场+海洋牧场融合”,即海上“风牧一体化”的核心问题是构件的“空间融合”、“结构融合”和“功能融合”。实际的近海构筑物和人工鱼礁的建设不仅需要考虑流场效应和消波特性,构筑物投放海域的底质也是及其重要的因素,构筑物建设或投放后,改变了原有因周围的水流环境,其底部周围会发生冲淤、下陷、掏空和掩埋等现象,这直接关乎构筑物的稳定性与安全性。本文利用FLOW-3D软件建立的三维数值波浪水槽,测试单排消浪导流性人工鱼礁的消波性能,将消波性能较好的礁型增设阻流板,探究不同阻流板工况条件下人工鱼礁单体的流场效应,本文在充分利用近岸海域波浪随等深线变形并接近垂直向岸传播、潮流接近沿岸线平行流动的特性,提出了消浪导流型人工鱼礁的设计理念,在减少对沿岸海流和泥沙冲淤影响的同时、礁体能起到消浪破波的作用,且具备普通人工鱼礁的生物养护和增殖功能。为探究不同礁体数量、不同单位鱼礁礁距和不同开口比对消浪导流型人工鱼礁消波性能的影响。采用计算流体力学方法(CFD),利用大涡模拟(LES)对不同礁体组合进行三维波浪数值模拟,并以波浪透射系数、波浪反射系数和波能耗散率等指标分析了礁体组合的消波性能;选取消波效果较好的一种礁型增设内部阻流板等结构,并以上升流体积和背涡流体积等指标对鱼礁单体的流场效应进行评价。结果显示:利用FLOW-3D软件造波具有良好的稳定性和持续性。随着鱼礁数量的增加,礁区相对波长倍数的随之增加,波浪透射系数呈现先快速降低后缓慢降低的趋势,其中A4礁体组合的K为0.33,消波效果较好。随着单位鱼礁间距的增加,波浪透射系数呈现先增加后降低直至平稳的趋势。随着开口比的增大,波浪透射系数逐渐增加;而对于挡板开口而言,礁体在波浪传播方向上的透水性对波浪透射系数变化影响显著。研究表明,礁体数量的增加和单位鱼礁间距的减小对于提升礁体组合的消波效果作用明显,挡板开口次之,顶板开口最小。由于礁体具有较好的稳定性和消波导流性能,消浪导流型人工鱼礁能够适应近岸极端的海况。在探究“海上风电场+海洋牧场”的功能性融合时,提出了护底增殖型人工鱼礁的设计理念,利用水槽实验与数值模拟相结合的方法,模拟对比分析单独风机基础、风机基础与人工鱼礁组合的两种不同试验组泥沙冲淤变化特征。利用Froude相似准则和几何相似准则,将数模与试验按照100:1的比尺进行缩放,对比发现试验的冲刷地形分布特点与数值模拟具有较好的相似性,其中,在模拟单独风机基础的局部地形冲淤变化发现,研究表明:相同水文条件下的单向流相对于往复流达到冲淤平衡的时间要长,底质粒径对于风机基础的局部冲淤变化显著,表现为随着粒径的减小,基础两侧的冲刷深度变深,基础前后的淤积高度变高。对于不同流速而言,流速为0.62m/s的冲淤强度较小,流速越大,“动床冲刷”达到冲淤平衡所用的时间越长,在实际投放护底增殖型人工鱼礁时,需要综合考虑风电场场区的底质粒径和水文等条件合理的布设护底增殖型人工鱼礁礁体。通过布放的不同组合礁体发现,8礁组合、6礁组合以及4礁组合的周围冲刷坑深度的绝对值相对于单独风机基础两侧的冲刷绝对值有明显的减小,相较于8礁组合和4礁组合,6礁组合具有良好的适配性和防冲刷功能。通过布放鱼礁组合可以发现风机基础周围的冲刷强度降低,而冲刷面积相应增大。对比不同断面的流速云图可以发现,礁体组合对于风机基础周围的背涡流区域增加的效果明显,本研究可为海上“风牧一体化”的研究提供理论指导。

关键词：消浪导流型人工鱼礁护底增殖型人工鱼礁消波性能波浪透射系数冲淤平衡数值模拟

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新型水轮机式浮式防波堤设计与分析

新型水轮机式浮式防波堤设计与分析

作者：卞向前江苏科技大学

学位级别：硕士

本文提出了一种新型水轮机式浮式防波堤设计方法,所设计防波堤在消波的同时可利用波浪能和风能进行发电,为沿海和岛屿居民提供安全的海上作业环境和清洁能源。本文以我国南海海域为例,基于CFD技术,对该新型防波堤的水动力性能、消波性... 详细信息

本文提出了一种新型水轮机式浮式防波堤设计方法,所设计防波堤在消波的同时可利用波浪能和风能进行发电,为沿海和岛屿居民提供安全的海上作业环境和清洁能源。本文以我国南海海域为例,基于CFD技术,对该新型防波堤的水动力性能、消波性能及发电性能进行了数值计算,在此基础上对该构型进行了优化设计与分析,并对优化后的构型进行了应用设计示例与分析。本文的主要研究内容如下:根据浮式防波堤系泊方式的不同,本文设计了两种新型水轮机式浮式防波堤,包括垂直导桩锚泊的新型水轮机式浮式防波堤和锚链锚泊的新型水轮机式浮式防波堤。垂直导桩锚泊的新型水轮机式浮式防波堤采用了三种发电装置实现其发电功能,包括转子旋转发电装置、振荡浮子式波浪能液压发电装置以及风力发电装置;锚链锚泊的新型水轮机式浮式防波堤采用了转子旋转发电装置。基于粘性理论建立数值水槽模拟方法,并将模拟值与理论值进行对比。对水槽初始时刻有无波浪两种状态进行了模拟分析,给出了模拟精度较高的数值水槽初始条件设置方法。基于数值水槽理论,对两种新型水轮机式浮式防波堤消波及发电性能进行了数值计算与分析。计算结果显示,垂直导桩锚泊的新型水轮机式浮式防波堤综合性能更佳。对垂直导桩锚泊的新型水轮机式浮式防波堤的叶片个数和叶片角度进行优化设计得出最佳构型,并探究了最佳构型的综效能随波高、周期的变化规律。从防波堤选用的角度给出了两种选用方法并给出示例。第一种是选用单道浮式防波堤,单道防波堤的消波及发电性能都随主尺度的增大而增加,因此可以根据对消波及发电效果的要求选取防波堤主尺度。第二种是选用双道浮式防波堤,选用主尺度相对较小的双道浮式防波堤也可以达到较好的消波及发电效果。

关键词：水轮机式浮式防波堤消波性能发电性能优化设计

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多层圆弧板透空式防波堤水动力特性试验研究

多层圆弧板透空式防波堤水动力特性试验研究

作者：潘春昌大连理工大学

学位级别：硕士

传统的防波堤消浪效果较好,但也有不适用于深水、造价高昂等缺点。透空式防波堤克服了以上的缺点,并且对环境友好,已越来越多的得到人们的关注。然而,透空式防波堤也有其缺点,由于部分波浪能量可以透过防波堤,导致堤后的波高较大,尤其... 详细信息

传统的防波堤消浪效果较好,但也有不适用于深水、造价高昂等缺点。透空式防波堤克服了以上的缺点,并且对环境友好,已越来越多的得到人们的关注。然而,透空式防波堤也有其缺点,由于部分波浪能量可以透过防波堤,导致堤后的波高较大,尤其是在长波的作用下其消浪效果并不理想。圆弧式结构受力特性较好,且对于消波有一定效果。本文结合透空式防波堤与圆弧式结构的特点,提出了一种多层圆弧板透空式防波堤,并对其水动力特性进行了二维的物理模型试验。通过与多层水平板透空式防波堤消浪效果的比较,验证了多层圆弧板透空式防波堤的消浪效果更好。同时,试验还研究了圆弧板的层数、相对宽度、板间距、顶层板的淹没深度和圆弧的高度对该结构形式的防波堤消浪效果的影响。试验发现,在布置合理的情况下,圆弧板透空式防波堤的消浪性能明显较水平板透空式防波堤更为优秀。研究结果还表明,圆弧板的层数、相对宽度、顶层板的淹没深度、板间距和圆弧板的高度均对圆弧板透空式防波堤的消浪性能有影响。另外,本文还对圆弧板和水平板的受力特性进行了比较分析,研究结果表明,在入水深度相同时,二者所受的竖向波浪力大小相当。

关键词：圆弧板透空式防波堤试验研究消波性能

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嵌套式振荡水柱波能转换装置的理论研究

嵌套式振荡水柱波能转换装置的理论研究

作者：汪林浙江大学

学位级别：硕士

海洋蕴含着无穷无尽的能量,时而汹涌磅礴,时而温润宁静,不断引发人类的敬畏和探索。一方面,新型防波堤不断被提出以防范海水侵蚀和波浪冲击;另一方面,陆地化石能源日益枯竭,迫使人们将目光转向环保可再生的新能源,如海上风能、波浪能等... 详细信息

海洋蕴含着无穷无尽的能量,时而汹涌磅礴,时而温润宁静,不断引发人类的敬畏和探索。一方面,新型防波堤不断被提出以防范海水侵蚀和波浪冲击;另一方面,陆地化石能源日益枯竭,迫使人们将目光转向环保可再生的新能源,如海上风能、波浪能等。但在复杂海况中,建筑物的建造和维修成本很高,难以实现产业化。因此,扩展系统功能以提高海洋建筑物的经济性极具科研和实践意义。本文以一般防波堤结构的波浪衍射及辐射问题入手,探索结合防波堤结构的嵌套式OWC(Oscillating Water Column)装置结构形式,以期在消波防浪的同时拓宽波能转换高效频率带。基于势流理论,采用匹配特征函数法对线性波与结构物相互作用的问题进行理论求解。忽略海底地形的影响,建立二维欧拉坐标系,对流场进行分区求解。针对结构物尖角附近流体运动速度的奇异性分布,引入特定正交多项式将区域间公共界面上的速度分布函数近似展开。本文求解过程从较为简单的波浪衍射问题开始,逐步引入由振荡结构物及自由液面上振荡气压引起的辐射问题,最终完成新型OWC装置求解模型的搭建。首先,对线性波与T型透空式防波堤的相互作用问题进行求解,综合分析结构物各几何参数对其消波性能及所受波浪荷载的影响。计算结果表明,增大垂向薄板长度能显著减少波浪透射;垂向波浪荷载随着垂向薄板从水平板迎浪侧向背浪侧移动而增大。其次,理论研究线性波与T型纵摇式防波堤的相互作用。设置不同的几何参数,发现透射系数曲线在共振频率附近存在波浪全反射及全透射点;将垂向薄板安装在水平板背浪侧有利于提升结构物的稳定性。然后,基于岸式防波堤的直立面搭建OWC式波能转换装置,并允许前墙在波浪作用下纵荡运动。通过理论研究,发现前墙的纵荡运动会在气室内导入更多波浪能,从而拓宽装置的高效频率带;前墙厚度、吃水深度、气室宽度及弹簧弹性系数均对装置的波能转换效率影响显著。最后,提出一种结合纵荡隔板的双气室OWC装置,并求解出线性波作用下的速度势。综合分析结构物各几何参数的影响,发现波能转换的高效频率带相对于固定单气室透空装置明显变宽,且峰值增大;结构物吃水深度及宽度的增大均会导致高效频率带向低频区移动。本文的创新点主要有:·分别对T型透空式及纵摇式防波堤进行理论研究,发现垂向薄板的几何参数对结构物所受波浪荷载及其运动响应影响显著;·提出一种结合运动前墙的岸式OWC装置,经理论求解发现前墙纵荡运动可显著拓宽装置的高效频率带;·提出一种结合运动隔板的双气室OWC装置,研究发现其波能转换效率峰值相较于传统单气室透空式OWC装置提升80%以上,且高效频率带明显变宽。

关键词：匹配特征函数展开法嵌套式OWC装置波能转换效率消波性能波浪荷载

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置于浮式防波堤上的波浪能捕获装置研究

置于浮式防波堤上的波浪能捕获装置研究

作者：吴映江宁波大学

学位级别：硕士

随着全球自然油气资源和渔业资源的日渐短缺,人类对海洋可再生能源开发和海洋养殖业发展的力度日渐加强。海洋能密度大、储量丰,但对其开发利用尚处于探索阶段;海洋养殖技术的发展相对较成熟,但兼具安全性、可靠性和经济性的深远海养殖... 详细信息

随着全球自然油气资源和渔业资源的日渐短缺,人类对海洋可再生能源开发和海洋养殖业发展的力度日渐加强。海洋能密度大、储量丰,但对其开发利用尚处于探索阶段;海洋养殖技术的发展相对较成熟,但兼具安全性、可靠性和经济性的深远海养殖装备技术却相对比较落后。因此,开展海洋养殖装备抗风浪技术和波浪能捕获与转换技术研究及其集成应用研究具有重要的理论意义和实用价值。本文针对我国东海象山海域养殖装备抵御台风破坏的需要,提出了一种将Savonius型（S型）转子配置于浮式防波堤上的一体化设计方案,利用S型转子捕获波浪能并进一步将其转换为电能,可在提高防波堤消波减流性能、为养殖装备提供抗风浪屏障的同时,为养殖装备运行提供所需的绿色能源;采用数值仿真和实验研究的方法对浮式防波堤与S型转子阵列一体化装置进行了研究,取得了具有较大参考价值的结果。本文采用边界造波及阻尼消波方法,基于Realizable k-ε湍流模型和VOF两相流模型建立了二维数值波浪水槽,为后续数值仿真研究提供了基本条件;建立了防波堤的动力学模型,采用数值方法在二维数值波浪水槽中仿真研究了防波堤结构参数对其消浪特性的影响;提出了一种设有弹片阀结构的S型转子,建立了转子动力学模型,采用数值方法在三维数值波浪水槽中仿真研究了转子重叠率、相对入水深度和弹片阀开口率等参数对转子动力学性能的影响;为解决单个转子捕能系数低的问题,提出了S型转子按阵列配置于浮式防波堤上的方案,研究了转子转动产生的涡街对尾流场流动参数的影响、不同流速下涡街对下游转子动力学性能的影响以及转子间距对转子动力学性能的影响;依据相似准则制作了浮式防波堤和转子实物模型,采用与上述数值仿真分析相同的波流参数,在实验室已有造波池内对浮式防波堤和S型转子实物模型进行了实验测试,实验结果验证了本文所提出的方案的可行性、所建立的动力学模型的正确性以及所采用的仿真分析方法的有效性。

关键词：数值波浪水槽浮式防波堤消波性能 Savonius型转子波浪能发电

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带腹板浮式防波堤水动力特性数值研究

带腹板浮式防波堤水动力特性数值研究

作者：焦文翰海南大学

学位级别：硕士

浮式防波堤是用作保护海岸、港口和海洋结构物免受波浪袭击的水工结构物,对维持水域平稳,使海洋结构物能够安全作业有着重要意义。由于浮式防波堤的造价和施工难度比传统座底式防波堤受水深的影响更小,所以在向深海探索的过程中,浮式防... 详细信息

浮式防波堤是用作保护海岸、港口和海洋结构物免受波浪袭击的水工结构物,对维持水域平稳,使海洋结构物能够安全作业有着重要意义。由于浮式防波堤的造价和施工难度比传统座底式防波堤受水深的影响更小,所以在向深海探索的过程中,浮式防波堤受到越来越多关注。本文通过改变浮式防波堤结构形式,将垂直腹板安装到箱型防波堤底部,以减小波浪的透射。本文首先针对这种带腹板浮式防波堤建立数值模型,再通过物理模型试验验证数值模型的有效性,最后利用ANSYS-AQWA水动力数值软件对规则波、不规则波及波流耦合作用下带腹板浮式防波堤的水动力特性进行重点分析。研究结果表明:(1)规则波作用下带腹板型浮式防波堤的透射系数随吃水深度、腹板高度和相对宽度的增大而减小,即浮式防波堤的消波性能随之提升。(2)腹板的增加还可以大幅度减小锚链拉力,满载工况下相对腹板高度与水深之比为S/h=0.54(0.35m)时的锚链拉力是没有腹板工况时的41%。(3)浮式防波堤浮箱和腹板上的压力变化规律与锚链拉力类似,即压力随着吃水深度、腹板高度和相对宽度的增大而减小。(4)不规则波作用下,带腹板型浮式防波堤的透射系数随吃水深度、腹板高度和浮箱宽度的增大而减小,而随着波浪周期的减小而减小,即浮式防波堤的消波性能随之提升。对浮式防波堤增加腹板,在满载工况下,相对腹板高度为S/h=0.23时相较于S/h=0,透射系数减小了0.24,消波性能提升了30%。波流耦合作用下,当流速为0.8m/s时,相较于纯浪情况,透射系数增大了0.2,消波性能降低了29%。(5)带腹板型浮式防波堤锚链所受拉力值随着吃水深度、波浪周期、流速和浮箱宽度的增大而增大,随着腹板高度增大而减小。同时在固有周期附近锚链拉力增大了28%,故在浮式防波堤设计中,应尽量避开相应周期。(6)带腹板型浮式防波堤纵荡运动随着相对腹板高度的增加而增大,但在相对腹板高度S/h=0.27相对于无腹板的情况下,浮式防波堤纵摇减小了35%,可见垂直腹板的增加可以提升防波堤纵摇稳定性。

关键词：浮式防波堤腹板消波性能锚链受力