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基于粘性修正多自由度点吸收波浪能装置的动力学分析

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基于粘性修正多自由度点吸收波浪能装置的动力学分析

作者：常云辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

随着经济的增长,社会对能源的依赖度越来越高,太阳能和风能为主的可再生能源利用技术得到了巨大的发展,相比于风能和太阳能,波浪能资源具有更大的能量密度,并且分布更广。在以往对波浪能装置(Wave Energy Converter,WEC)的研究中,往往... 详细信息

随着经济的增长,社会对能源的依赖度越来越高,太阳能和风能为主的可再生能源利用技术得到了巨大的发展,相比于风能和太阳能,波浪能资源具有更大的能量密度,并且分布更广。在以往对波浪能装置(Wave Energy Converter,WEC)的研究中,往往基于势流理论,忽略了流体的粘性效应,而粘性产生的涡流会扰乱WEC周围的流场质点分布,改变其共振频率,在工程应用中,未考虑粘性会过度预测WEC的动态响应,从而削弱WEC的能量转换效率,因此本文针对垂荡点吸收波浪能装置做了如下工作:使用计算流体力学方法,在Star CCM+软件中对波浪水槽进行了瞬态三维动力学模拟,通过自由衰减法对漂浮浮子进行粘性修正,对比实验数据验证了方法的可靠性,分析附加质量、辐射阻尼、高径比和锥角对漂浮浮子粘性的影响。发现阻尼对漂浮浮子粘性的影响更大,随着高径比的增加,粘性对浮子的影响逐渐减弱,而锥角的增大,则会导致粘性对其运动的抑制效果更加明显。通过线性化粘性阻尼的方式,计算不同形状淹没浮子在高速振荡下的粘性阻力系数,并提出倒角圆柱淹没浮子模型,通过涡量场和壁面剪应力分析几何外形对粘性的影响,发现由于浮子壁面形状的改变,附着在浮子表面的涡脱落,圆柱体的粘性阻力系数为1.854,球体为0.276,倒角圆柱体的粘性阻力系数为0.809,相比于圆柱体降低了56.36%。基于势流理论的边界元法,对单体点吸收式波浪能装置的水动力进行了系统的分析,利用ANSYS-AQWA软件,建立垂荡点吸收波浪能装置频域模型,计算了浮子的水动力参数,包括附加质量、辐射阻尼、波浪激励力和运动幅值响应,将不同参数(高径比、吃水深度、锥角系数和最佳PTO阻尼)浮子的水动力进行对比,在粘性修正的基础上,分析不同浮子参数的波浪俘获宽度发现,增加高径比和锥角系数可以增大浮子波浪俘获宽度,吃水深度的增加浮子更容易达到最佳波浪俘获宽度但其峰值更小,当使用最佳PTO阻尼控制后,浮子的俘能更稳定。通过增加点吸收式波浪能装置中淹没体数量,增加系统的自由度,并对浮子无量纲垂直间距进行分析,确保浮子间水动力无相互干扰,对比不同形状和自由度系统的附加质量、辐射阻尼和波浪激励力,在考虑粘性阻尼的基础上,随着WEC系统自由度的增加,淹没体为圆柱体、球体和倒角圆柱的WEC波浪俘获功率分别增加了33%、28.5%和40.2%,系统的共振频率降低了5.5%、5.6%和10.3%,本文提出的倒角圆柱体模型在保留了圆柱体高水动力性能的基础上大大降低了粘性的影响,表现出更好的功率俘获特性。该论文有图76幅,表5个,参考文献63篇

关键词：波浪能点吸收浮子多自由度粘性修正水动力分析

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粘性等效船舶横摇运动降阶预报方法

哈尔滨工程大学学报 2023年第1期44卷 109-116页

作者：姜宜辰宗鸿运刘世杰孙哲张桂勇大连理工大学船舶工程学院大连辽宁116024 宁波远洋运输股份有限公司浙江宁波315040 大连理工大学工业装备与结构分析国家重点实验室大连辽宁116024

针对船舶耐波性中的经典横摇问题,本文提出一种针对横摇运动预报的粘性等效降阶方法。在该方法计算框架中,首先采用粘流模型和无粘模型分别模拟船体的强迫放大运动,预报不同运动幅度下的水动力力矩。其次,应用能量等效法获取船舶横摇阻... 详细信息

针对船舶耐波性中的经典横摇问题,本文提出一种针对横摇运动预报的粘性等效降阶方法。在该方法计算框架中,首先采用粘流模型和无粘模型分别模拟船体的强迫放大运动,预报不同运动幅度下的水动力力矩。其次,应用能量等效法获取船舶横摇阻尼随KC数变化的修正函数。最后,在横摇运动响应预报中,基于欧拉方程求解无粘流体,应用获取的阻尼修正函数,对横摇阻尼进行实时修正,以提高预报精度。为验证该方法的有效性,分别采用VEROM模型和RANS粘性模型对典型二维船体中段的横摇响应进行预报,对比结果表明:VEROM模型与RANS模型预报精度相当,但前者的计算时间可缩减到RANS模型的5%。

关键词：船舶横摇非线性阻尼降阶方法粘性修正强迫放大水动力力矩能量等效法实时修正

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考虑间隙水体阻尼修正的过驳双船系统动力响应研究

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船舶力学 2024年第6期28卷 856-865页

作者：刘利琴刘依伦王岭郭颖孟春蕾天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室天津300072 天津航海仪器研究所天津300131

利用阻尼修正的势流理论对过驳双船系统进行研究。建立了过驳双船系统CFD数值计算模型,通过在双船间隙自由水面施加粘性阻尼盖的方法对势流理论进行修正。对双船过驳系统在考虑与不考虑修正两种情况下的时域结果进行对比分析,结果表明:... 详细信息

利用阻尼修正的势流理论对过驳双船系统进行研究。建立了过驳双船系统CFD数值计算模型,通过在双船间隙自由水面施加粘性阻尼盖的方法对势流理论进行修正。对双船过驳系统在考虑与不考虑修正两种情况下的时域结果进行对比分析,结果表明:双船各自由度的运动响应以及各系缆护舷的受力,在不计及粘性修正时的计算结果皆高于修正后的结果,因而考虑流体粘性的修正是非常必要的。

关键词：过驳系统粘性修正时域分析势流理论

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浮式风机平台与波能装置混合系统的性能分析

哈尔滨工程大学学报 2021年第3期42卷 339-345页

作者：胡俭俭周斌珍刘品孙科耿敬华南理工大学土木与交通学院广东广州510641 哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001 明阳智慧能源集团股份有限公司风能研究院广东中山528400

为了研究波能装置与浮式风机平台混合系统在某一典型海况下的最优组合形式及最优功率的大小,本文依据线性势流理论,采用高阶边界元方法建立了多波浪能装置与浮式风机平台垂荡运动频域数值模型。研究动力输出装置的阻尼最优的情况下,不... 详细信息

为了研究波能装置与浮式风机平台混合系统在某一典型海况下的最优组合形式及最优功率的大小,本文依据线性势流理论,采用高阶边界元方法建立了多波浪能装置与浮式风机平台垂荡运动频域数值模型。研究动力输出装置的阻尼最优的情况下,不同尺寸和布局的波能装置对混合系统的最优功率和浮式风机平台受力的影响。结果表明:与浮式风机平台相结合的波能装置的直径吃水比越大,混合系统的最优发电功率越高,浮式风机平台受到的垂向受力增加,最大水平力和纵摇力矩越小;波能装置的存在会减小浮式风机平台受到的纵摇力矩,这种混合系统具有广阔的应用前景。

关键词：浮式风机平台波浪能装置混合系统势流理论阻尼最优粘性修正最优功率参数优化

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波能装置浮子选型及水动力性能分析

哈尔滨工程大学学报 2021年第1期42卷 8-14页

作者：孙科解光慈周斌珍哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001 中山大学海洋工程与技术学院广东珠海519082 华南理工大学土木与交通学院广东广州510000

为了提高波能浮子的转换效率,本文对浮子不同外形的水动力性能进行研究,得到最优的浮子外形。基于势流理论,利用CFD软件模拟自由衰减的方法对浮子粘性力进行估算,进而对浮子进行粘性修正。首先对不同直径吃水比的平底圆柱浮子进行水动... 详细信息

为了提高波能浮子的转换效率,本文对浮子不同外形的水动力性能进行研究,得到最优的浮子外形。基于势流理论,利用CFD软件模拟自由衰减的方法对浮子粘性力进行估算,进而对浮子进行粘性修正。首先对不同直径吃水比的平底圆柱浮子进行水动力性能分析,得到大直径吃水比的浮子有效频率宽度更大,更加有利于波浪能量的吸收;分析了不同锥底角度浮子的水动力性能,小角度的锥底浮子吸收能量效率更高;利用CFD软件模拟浮子在波浪下的运动并进行流场分析,结果表明:当锥底角度越大,浮子周围涡的分布越广,拐角处越容易产生大量级的涡,影响波浪能量的吸收。

关键词：波能浮子浮子选型水动力性能势流理论计算流体力学粘性修正俘获宽度比涡量场

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微尺度间距平行平板间的流动稳定性问题

中国机械工程 2005年第z1期16卷 210-212页

作者：尤学一郑湘君李丹天津大学天津300072 天津大学天津300072 天津大学天津300072

在忽略其他微尺度效应的前提下,讨论了粘性修正对微尺度间距平行平板间流动稳定性的影响.考虑到固壁对流体分子的作用力可导致流体表现粘性变化,假定流体表现粘性系数为距壁面距离的函数.结果显示,粘性系数修正在一定条件下可使平均流... 详细信息

在忽略其他微尺度效应的前提下,讨论了粘性修正对微尺度间距平行平板间流动稳定性的影响.考虑到固壁对流体分子的作用力可导致流体表现粘性变化,假定流体表现粘性系数为距壁面距离的函数.结果显示,粘性系数修正在一定条件下可使平均流出现拐点,导致流动失稳,临界雷诺数降低,流动更易失稳.

关键词：粘性修正流动稳定性微尺度槽道平行平板间流动

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风力机风轮非定常气动载荷计算

可再生能源 2010年第6期28卷 31-35页

作者：刘洋李宇红蒋洪德清华大学热能工程系北京100084

运行中的风力机风轮经常受到自然风变化带来的非定常气动力的作用。数值模拟这一非定常气动力对于风力机的安全优化运行和性能改进具有重要意义。文章介绍了所开发的基于粘性修正的三维速度势面元方法,以速度势方程作为流动控制方程,使... 详细信息

运行中的风力机风轮经常受到自然风变化带来的非定常气动力的作用。数值模拟这一非定常气动力对于风力机的安全优化运行和性能改进具有重要意义。文章介绍了所开发的基于粘性修正的三维速度势面元方法,以速度势方程作为流动控制方程,使用Prandtl-Schlichting方法考虑空气在叶片表面的粘性作用。通过与风力机的试验数据对比显示,计算值均与试验值吻合良好,显示了用该计算方法估算风力机三维非定常气动力和扭矩的应用价值。

关键词：风力机面元法非定常气动载荷粘性修正

波浪能装置与浮式风机平台集成系统耦合动力性能研究

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波浪能装置与浮式风机平台集成系统耦合动力性能研究

作者：高琅华南理工大学

学位级别：硕士

海上风能和波浪能是新能源开发的热门方向。随着海上风能的开发,海上风机尺寸更大、工作海域水深更大,出于保护风机和增加发电量的目的,将波浪能浮子集成到浮式风机平台上具有理论可行性。目前对风浪联合作用下波能浮子与平台集成系统... 详细信息

海上风能和波浪能是新能源开发的热门方向。随着海上风能的开发,海上风机尺寸更大、工作海域水深更大,出于保护风机和增加发电量的目的,将波浪能浮子集成到浮式风机平台上具有理论可行性。目前对风浪联合作用下波能浮子与平台集成系统的研究多集中于水动力方面,空气动力方面往往采用经验公式简化为外力处理,缺乏准确性,波浪能装置的具体参数也缺乏依据。本文以OC4浮式平台基础集成六个振荡式波能浮子系统为研究对象,分别从无风和有风两个方面数值研究了平台与浮子之间的相互影响规律。本文首先基于粘性修正势流理论建立了无风作用下波能浮子与浮式平台集成系统时域数值模型,开展波能浮子选型与布置研究。通过与已发表双浮体论文对比,验证了数值模型的准确性。波能浮子尺寸通过无量纲方法迭代得到。先研究了不同直径吃水比的波能浮子集成系统平台纵荡、垂荡、纵摇运动响应变化规律,和波浪能浮子发电功率与系泊张力变化规律。在此基础上,通过改变波浪能装置关键参数PTO阻尼、浮子间距和共振周期,研究其对集成系统的运动和发电特性的影响,从增加发电功率和降低平台运动两个角度阐述了波浪能装置参数设计原则。然后建立了有风作用下集成系统时域数值模型,从规则波和不规则波两种类型工况下分析了风浪联合作用下波能浮子的加入对平台纵荡、垂荡、纵摇三方向运动平衡位置和运动幅值的影响规律,以及集成系统发电功率和系泊张力变化规律。结果表明:波能浮子的加入可以降低大周期波浪下垂荡和纵摇的运动幅值,波浪能发电功率峰值周期滞后于浮子共振周期。增加PTO阻尼、采用更大的间距和增大浮子共振周期可以增加波浪能浮子的发电功率,但也会使平台纵摇运动增加。考虑风载荷的作用下,浮子的加入后平台纵摇平衡位置减少幅度大于增加的运动幅值,实际上降低了平台在风浪联合作用下的运动。浮子与风机发电功率耦合影响不大,可以提供额外的波浪能发电,集成系统总发电功率得到了提升。集成系统与风浪入射方向相同布置的系缆张力降低,其余两根系缆张力增加,增加幅度不高,说明集成系统方案的可行性与工程意义。

关键词：浮式风机平台波浪能装置耦合运动势流理论粘性修正

高超声速二元进气道起动及非设计状态性能估算

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高超声速二元进气道起动及非设计状态性能估算

作者：蔡佳南京航空航天大学

学位级别：硕士

进气道起动问题是高超声速推进系统面临的关键问题之一，直接影响到超燃冲压发动机能否稳定、高效地工作。由于飞行器不可能始终处于设计状态，因此在偏离设计状态下进气道的性能同样十分关键。这些都是当前国内外研究者十分关心的话题... 详细信息

进气道起动问题是高超声速推进系统面临的关键问题之一，直接影响到超燃冲压发动机能否稳定、高效地工作。由于飞行器不可能始终处于设计状态，因此在偏离设计状态下进气道的性能同样十分关键。这些都是当前国内外研究者十分关心的话题，具有重要的理论和工程实际意义。论文首先对二元高超声速进气道在脉冲风洞中超声速流场的建立过程进行了非定常数值模拟，构建了双波结构理论模型，并以几个典型阶段为例研究了流场建立过程中流场结构的变化。结合理论分析发现，初始条件对于双波结构强度有很大影响，进而改变了进气道的脉冲起动特性。而后，利用一维非定常特征线法构建了加速过程理论模型，并对二元进气道的加速起动过程进行了数值模拟。研究了二元进气道在加速过程中流场结构的变化，以及加速度、内收缩比等因素对进气道起动特性的影响，获得不同内收缩比下进气道加速起动马赫数的预测公式。最后，编写了一套二元进气道设计程序，并提出了一种外压缩段粘性修正方法。在有粘情况下，利用该修正方法设计的进气道其流量系数比按照无粘设计高5%左右。采用优化的拉丁方试验设计方法安排计算方案，研究了不同飞行条件和几何设计参数对进气道性能的影响规律。基于理论公式和大量数值模拟分别获得了外压段性能估算程序和整个进气道性能估算公式。通过与CFD结果对比发现，两者的误差分别在±5%和±10%以内，说明该程序和公式对非设计状态性能估算具有一定的可信度。

关键词：高超声速二元进气道脉冲起动加速起动非设计状态性能估算粘性修正