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双浮体式波能装置阵列水动力及能量转换特性研究

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双浮体式波能装置阵列水动力及能量转换特性研究

作者：周亚辉江苏科技大学

学位级别：硕士

随着全球化石能源的紧缺和环境污染问题日益严重,可再生能源的开发利用愈发成为研究热点。波浪能随着海洋分布在世界各地,且储量十分巨大,其开发利用可以有效解决相关问题。在研究波浪能装置的获能效率的过程中,应结合装置的水动力特性... 详细信息

随着全球化石能源的紧缺和环境污染问题日益严重,可再生能源的开发利用愈发成为研究热点。波浪能随着海洋分布在世界各地,且储量十分巨大,其开发利用可以有效解决相关问题。在研究波浪能装置的获能效率的过程中,应结合装置的水动力特性及能量转换特性加以分析,尽管相关研究已经持续了很多年,但目前仍存在许多问题。波浪能装置的种类多种多样,本文选取典型的振荡浮子式波浪能转换装置为研究对象,在势流理论及振动理论的基础上,基于浮体随波浪的运动过程建立与之对应的振动模型,通过数值解析并辅以图形数据分析的方法,深入探讨了浮体在波浪作用下的水动力及能量转化特性,并研究其变化规律。针对振荡浮子式波浪能装置,基于国内外前人对于浮子水动力和能量转换的研究,本文将波浪能装置分为单体式、带阻尼板的双体式以及双体阵列式进行递进式探究,并分别建立与之对应的振动模型,结合单自由度和多自由度振动理论,阐述不同类型波浪能装置的能量转换机理,并基于线性势流理论,推导得出单体式和双体式波能装置的最优能量俘获解析表达式。针对单体振荡浮子式波浪能装置,浮子通过能量转换（Power Take-off,PTO）装置与固定基座相连接,基于线性波水动力理论和特征函数展开边界匹配的经典解析方法,对凹面、锥面、抛物面和椭球面四种轴对称构型浮子进行研究。分别从波浪激励力、辐射作用力、垂向响应振幅和俘获宽度比四个角度进行计算研究。在同样深度下,从定吃水比和定频率两个方面入手,对比研究了四种构型浮子的影响规律。针对带阻尼板的双体振荡浮子式波浪能装置,基于势流理论和振动理论,运用特征函数展开边界匹配的半解析方法,研究了双浮体的辐射和绕射问题,进而利用伯努利方程可以得出浮子和阻尼板受到的波浪激励力和辐射作用力。之后从阻尼板半径和浸没深度两个角度研究带阻尼板的双浮体装置的水动力特性和波能转换特性,并深入研究阻尼板开孔大小对带穿孔阻尼板装置的影响。针对阵列式波能装置,基于线性波水动力理论的面元法,得到了双浮体阵列与波浪作用的耦合水动力系数,结合多自由度振动理论及优化方法,得到双浮体阵列最优PTO阻尼系数,在此基础上引入阵列影响因子,深入研究了直线型和三角型两种构型布局的双浮体阵列的能量转换特性,重点研究了不同浪向角、浮子间距以及阵列布局对双浮体阵列装置波能转换的影响及其干扰原因。

关键词：波浪能水动力特性能量转换特性双浮体阵列阵列影响因子

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多工况条件下多相混输泵能量转换特性研究

多工况条件下多相混输泵能量转换特性研究

作者：钭江龙西华大学

学位级别：硕士

能源作为人类现代科技发展的源源动力,推动着人类社会文明的进步。伴随着能源开采领域的扩大,人类的目光逐渐向油气资源丰富的海洋转移。为此在全世界专家、学者的开发研究以及试验论证下,一种以多相混输泵为“心脏”的多相混输技术应... 详细信息

能源作为人类现代科技发展的源源动力,推动着人类社会文明的进步。伴随着能源开采领域的扩大,人类的目光逐渐向油气资源丰富的海洋转移。为此在全世界专家、学者的开发研究以及试验论证下,一种以多相混输泵为“心脏”的多相混输技术应运而生,其稳定高效运行是海洋油气资源开采的重中之重。而叶顶间隙作为多相混输泵内必不可少的结构,产生的叶顶泄漏涡流会导致泵的做功性能下降。然而,目前缺乏不同叶顶间隙对多相混输泵能量转换和能量损失的研究,且鲜有文章在能量输运理论下对多相混输泵进行能量转换特性进行探究。因此,为揭示不同叶顶间隙下多相混输泵内能量转换规律,本文将对多相混输泵能量转换及能量损失进行系统研究。(1)通过对多工况条件下叶轮轴向方向相对速度变化规律以及叶片静压分布情况,探究不同叶顶间隙下含气率和流量对多相混输泵增压性能的影响,同时对多相混输泵动扬程、静扬程、功率变化、各截面能量密度分布展开分析,揭示了叶顶间隙对多相混输泵能量转换的影响规律。研究结果表明流量以及含气率均会降低多相混输泵增压性能,而1.5mm叶顶间隙则有利于抑制间隙处能量损失。(2)应用能量输运理论,进一步研究多工况条件下多相混输泵能换特性,总结了压力梯度、旋转效应以及黏性耗散对多相混输泵能量转换的影响。分析表明,不同流量条件下随着叶顶间隙的增加压力梯度做功性能有所提高,当叶轮内有气相存在时变化规律相反,在多工况条件下Lamb矢量散度均有“夹心三层”的结构出现,且随间隙尺寸增大流体高低动量传递更加明显,在变工况条件下不同叶顶间隙下叶轮内旋涡拟能耗散变化规律较为混乱,总体来看含气率工况下叶轮内能量耗散较大。为此将进一步分析多相混输泵内能量损失情况。(3)在能量转化过程中伴随不可忽略的能量损失,从而讨论了增压单元内湍流耗散分布规律,通过熵产理论阐述不同叶顶间隙下多相混输泵能量耗散特性,并定量分析了叶顶间隙对多相混输泵造成的能量损失,结果发现,叶顶间隙与叶轮能量耗散呈现正比关系,但是气相的存在会扰乱不同叶顶间隙下叶轮能量耗散分布规律,叶轮壁面熵产主要分布在叶片压力面、叶顶间隙、叶片进口前缘以及进口轮毂附近,此外叶顶间隙的增加有利于减小叶轮叶片摩擦损失,间隙尺寸并不是衡量叶顶间隙损失的唯一指标,不同流量和不同含气率工况下叶轮内湍流耗散损失受叶顶间隙影响较小,在多工况条件下叶片载荷损失变化规律较为复杂。

关键词：叶顶间隙多相混输泵能量转换特性能量损失能量输运理论

直接甲醇燃料电池能量转换特性的三维数值模拟与流道优化研究

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直接甲醇燃料电池能量转换特性的三维数值模拟与流道优化研究

作者：王星燚湖南大学

学位级别：硕士

直接甲醇燃料电池(DMFC)能够直接将燃料的化学能转化为电能,是一种效率高、无污染、可持续的电能产生装置,具有广阔的应用前景。本硕士论文聚焦于对DMFC的能量转换过程进行优化,利用数值模拟探究运行工况和流道参数对DMFC内流特性的影... 详细信息

直接甲醇燃料电池(DMFC)能够直接将燃料的化学能转化为电能,是一种效率高、无污染、可持续的电能产生装置,具有广阔的应用前景。本硕士论文聚焦于对DMFC的能量转换过程进行优化,利用数值模拟探究运行工况和流道参数对DMFC内流特性的影响。研究内容涵盖DMFC三维数值模型的建立方法;不同运行工况下的反应物流动和分布规律;电能的输出效率和运行工况的关系;不同流道数量对能量转换特性的影响;基于流道内浓度分布规律的流道优化方法;不同流道参数DMFC特性的对比等。论文主要研究内容和成果总结如下:(1)建立一类描述DMFC能量转换特性的数值模型。经过理论分析,利用质量守恒方程、动量守恒方程、组分输运方程和电化学动力学方程建立理论模型。随后利用基于有限体积法(FVM)的商业软件Fluent对上述理论模型展开数值求解,并利用获得的实验结果对上述模拟结果进行验证。结果表明,数值模拟结果与实验结果吻合良好,证明了本模型的准确度和有效性。(2)研究了主要运行参数对DMFC特性的影响。结果表明,提高入口流速可以有效加快内部流动强度,提高各层面上甲醇平均浓度和分布均匀度。通过计算不同运行工况下的电流密度增长率,发现优化DMFC发电效率的运行参数边界。(3)研究了流道数量对DMFC特性的影响。结果表明,增加流道数量能够获得DMFC内部均匀的浓度分布,增加催化层对甲醇的消耗量,从而获得较大的电流输出。(4)探索了“渐缩型”的流道优化方法。根据流道层内甲醇浓度的变化规律,建立“渐缩型”流道DMFC的三维数值模型。研究表明,该优化方法能够提高DMFC电能的输出,且流道越窄优化作用越明显。

关键词：直接甲醇燃料电池能量转换特性运行参数流道结构性能优化

永磁同步电机与同步磁阻电机能量转换特性对比

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机电一体化 2017年第11期23卷 27-33页

作者：喻琦王心坚章桐同济大学汽车学院上海201804 同济大学新能源汽车工程中心上海201804 同济大学中德学院上海200092

针对燃料电池空压机的两种不同转子形式的高速电机,从能量转换的角度进行对比研究。运用Ansoft软件分别建立永磁同步电机和同步磁阻电机模型,提取电机各点的相关参数,计算得到各点坡印廷矢量值,绘制坡印廷矢量云图反映电机内部的能量流... 详细信息

针对燃料电池空压机的两种不同转子形式的高速电机,从能量转换的角度进行对比研究。运用Ansoft软件分别建立永磁同步电机和同步磁阻电机模型,提取电机各点的相关参数,计算得到各点坡印廷矢量值,绘制坡印廷矢量云图反映电机内部的能量流动和转换情况。通过对比两台电机的仿真计算结果,分析并研究了其能量转换特性。

关键词：永磁同步电机同步磁阻电机坡印廷矢量能量转换特性

自由活塞电液混合动力系统循环运行特性及稳定性研究

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自由活塞电液混合动力系统循环运行特性及稳定性研究

作者：彭世卓重庆交通大学

学位级别：硕士

能源系统是各类交通工具的“心脏”,从内燃机的发明、电机的应用到航天器九天揽月,不断创新更替的动力装置推动了交通运载行业的跨越式发展。近年来,自由活塞式动力系统(Free Piston Engine Power System,简称FPEPS)因其结构紧凑、多燃... 详细信息

能源系统是各类交通工具的“心脏”,从内燃机的发明、电机的应用到航天器九天揽月,不断创新更替的动力装置推动了交通运载行业的跨越式发展。近年来,自由活塞式动力系统(Free Piston Engine Power System,简称FPEPS)因其结构紧凑、多燃料适配性、可变压缩燃烧和高效传动等诸多优势,在新能源动力汽车、微型飞行器、轻型船舶、机器人等交通应用领域展现出广阔的前景。无曲轴的特殊结构是FPEPS拥有众多优势的原因,但在应对复杂的工况和多变的应用场景时,无机械约束的自由运动也使FPEPS的运行稳定性和能量输出的连续性极易受到干扰而脱离正常的工作状态。为破局FPEPS适应性不足、稳定性较差和能量输出不连续性的难题,本文在其基础上提出自由活塞电液混动系统(Free Piston ElectroHydraulic Hybrid Power System,简称FPEHPS),采用电能和液压能的协同输出机制,同时以液压系统作为活塞的回弹装置,为系统在多样化的应用需求和复杂工况下提供了更灵活、更稳定和多元化的能量输出方式。然而,FPEHPS作为一个机-电-液耦合体,其动力学特性、能量转换特性和运行稳定性直接受到燃烧、动力传递、励磁发电及液压传动多个过程的耦合影响。这些过程之间相互交织,彼此影响,任何一个耦合参数的变化都可能对FPEHPS的运行特性及稳定性产生重要影响,揭示其循环运行规律和稳定性机理成为FPEHPS应用的关键。针对该问题,本文以活塞所受作用力为基础,通过深入分析能量的输入、流动及耗散过程,利用MATLAB/Simulink和Amesim联合搭建了包括发动机热力学模型、摩擦力模型、直线电机模型及液压模型的全循环耦合动力学模型,精确仿真了FPEHPS运行过程。基于此,深入分析了FPEHPS循环运行特性、耦合效应及稳定性。主要研究工作和所得结论如下:1.针对FPEHPS特殊的结构布置和工作原理,以分析活塞独特的运动规律为基础,探讨了直线电机和液压系统的运行过程与活塞运动的耦合关系,并指出了其能量的传递过程。然后,基于FPEHPS动力学特性和能量特性,分析了活塞膨胀末期的运动规律及影响因素。结果表明:FPEHPS呈现慢压缩和快膨胀的运动特征,并且在上止点的加速度很大,这与常规发动机的动力学特性明显不同。发电功率和液压输出功率、流量与活塞速度呈正相关。初始条件下,FPEHPS的组合效率为44.13%,其中液压系统的输出效率为22.21%,电机的输出效率为21.92%。此外,液压阀的延迟响应后和能量的反向释放会导致活塞运动至下止点时发生反弹,但适当增大恢复腔压力、液压油的体积模量和加快单向阀的响应速度可以有效减小活塞的反弹距离,提高运行稳定性。2.围绕FPEHPS的多场耦合机理,重点研究了启动力、活塞质量及负载压力对系统动力学特性、能量传递和转换机制的耦合响应。结果表明:较大的启动力和活塞质量可以有效提高系统的压缩比、能量输出效率以及运行稳定性,但增大活塞质量也会不可避免地降低最大输出功率和活塞运动速度。另一方面,调节负载压力可以实现对液压系统和直线电机的能量和功率的有效调控,且对系统的压缩比和效率影响较小。然而,降低负载压力会显著增加活塞的运动行程和速度,这可能诱发系统运动失稳。3.根据FPEHPS循环运行的动力传递和负载特征,建立了FPEHPS非线性振动模型,利用广义谐波函数解析了活塞的动力学特征,并结合定性理论和定量分析的方法,揭示了FPEHPS振动稳定性机理,进而对影响振幅稳定的关键因素进行分析。结果表明:活塞的振动响应不再关于平衡位置对称,其振动特性直接受到输入能量和耗散能量的之间的平衡调控。FPEHPS的定常振动是稳定的,具有一定的自适应性和鲁棒性。定常振幅的变化主要由能量输入与输出腔的压力、电磁力以及摩擦力之间的匹配关系所决定,当输入能量增大时,定常振幅增大,而输出腔压力、电磁力及摩擦力增大时,定常振幅减小,并且定常振幅对输入能量变化的敏感性最高。

关键词：自由活塞电液混合动力系统循环运行特性能量转换特性机-电-液耦合稳定性机理

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电磁斥力机构能量转换效率分析

电网技术 2019年第5期43卷 1849-1855页

作者：张修雅袁召陈立学朱哲晓何俊磊何俊佳强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 湖北省武汉市430074 华中科技大学电气与电子工程学院湖北省武汉市430074 脉冲功率技术教育部重点实验室(华中科技大学) 湖北省武汉市430074

以"线圈-盘"式电磁斥力机构(coil-platerepulsion mechanism,CPRM)为研究对象,采用有限元仿真软件工具对CPRM进行仿真建模,研究分析CPRM的能量转换过程。研究能量的消耗途径,分析不同能量消耗途径对整个运动过程的影响大小,总结能量消... 详细信息

以"线圈-盘"式电磁斥力机构(coil-platerepulsion mechanism,CPRM)为研究对象,采用有限元仿真软件工具对CPRM进行仿真建模,研究分析CPRM的能量转换过程。研究能量的消耗途径,分析不同能量消耗途径对整个运动过程的影响大小,总结能量消耗规律。根据能量转换过程分析结果,对斥力盘的结构进行优化改进,提出一种"铜-铝"复合式斥力盘。通过仿真分析和试验验证得出结论:线圈电阻损耗和斥力盘涡流损耗是能量消耗的主要途径;"铜-铝"复合式斥力盘结构可有效地提高驱动速度和驱动效率。

关键词：电磁斥力机构能量转换特性驱动效率优化结构优化

漂浮式风能—波浪能集成机组液压PTO系统获能与减摇特性研究

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漂浮式风能—波浪能集成机组液压PTO系统获能与减摇特性研究

作者：王元之山东大学

学位级别：硕士

随着经济社会的高速发展,能源与环境问题愈发迫在眉睫,作为解决相关问题的有效途径之一,各类可再生能源,特别是海洋可再生能源的开发利用被逐渐提上日程。纵观各类海洋可再生能源,海上风能与波浪能的起源分布相近、痛点问题互补,具有巨... 详细信息

随着经济社会的高速发展,能源与环境问题愈发迫在眉睫,作为解决相关问题的有效途径之一,各类可再生能源,特别是海洋可再生能源的开发利用被逐渐提上日程。纵观各类海洋可再生能源,海上风能与波浪能的起源分布相近、痛点问题互补,具有巨大的联合开发潜力。漂浮式风能-波浪能集成机组综合了海上风能和波浪能开发的资源和成本优势,契合了二者的未来发展趋势,在近年成为风浪联合开发领域的重点研究对象。液压能量转换(Power ***)系统是风浪集成机组的关键部件,对集成机组的能量转换以及运动响应特性具有显著影响,明确液压PTO系统的影响规律与机理,对风浪集成机组的设计与运行具有重要的指导意义。本文以漂浮式风能-波浪能集成机组液压PTO系统为研究对象,探索了液压PTO参数对集成机组能量转换与运动响应的影响规律,遴选出关键参数并进行了优化设计,并对变阻尼液压PTO系统的影响效应开展了同步研究。首先,介绍了课题提出的背景,对海上风能、波浪能及其联合开发技术进行简要综述,分析总结了当前漂浮式风浪集成机组领域的重大进展以及有待完善之处,引出课题来源与研究内容。然后,推导了风浪集成机组的动力学方程,在Simulink中搭建了全耦合数值仿真系统,并将计算结果与权威商业软件进行对比,验证了数值仿真系统的准确性。其次,对风浪集成机组进行了初步设计,选取液压缸活塞面积、蓄能器预充气体积、蓄能器预充气压力、节流阀阀口开度、液压马达排量和发电机等效阻尼系数六个液压PTO参数作为研究对象,基于控制变量原则,定性分析了各参数对风浪集成机组波浪能俘获宽度比以及纵摇运动幅值响应算子的影响规律。再次,通过试验设计与回归分析的手段,明确了液压PTO各参数对机组性能的影响效应与影响程度大小,基于相关结果遴选出关键设计参数,利用代理模型技术与多目标优化算法,对液压PTO系统的关键参数进行优化设计,给出了可以兼顾波浪能转换和运动响应性能的设计方案。另外,在总结分析目前PTO系统变阻尼技术的基础上,提出了一种适用于风浪集成机组的液压PTO变阻尼方法,基于不同的海况,从波浪能平均输出功率、纵摇平均转角、纵摇最大转角以及风机功率四个方面,对提出变阻尼液压PTO系统的影响效应以及增益效果进行了对比研究。最后,总结了研究工作的结论,并对未来可进一步完善的工作进行了展望。

关键词：风浪集成机组波浪能液压PTO系统能量转换特性运动响应特性

基于浮式防波堤的波浪能装置水动力特性和台架实验研究

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基于浮式防波堤的波浪能装置水动力特性和台架实验研究

作者：丁鑫成哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

波浪能作为一种储量丰富的绿色能源,以其分布范围广、能量密度高等优点得到了世界各国广泛的关注和研究。与此同时,浮式防波堤由于其建造成本相对较低、受海底地质条件影响小、灵活方便等优点得到了较广泛的应用。由于波浪能量密度高,... 详细信息

波浪能作为一种储量丰富的绿色能源,以其分布范围广、能量密度高等优点得到了世界各国广泛的关注和研究。与此同时,浮式防波堤由于其建造成本相对较低、受海底地质条件影响小、灵活方便等优点得到了较广泛的应用。由于波浪能量密度高,其破坏力也大,能对浮式防波堤产生巨大的环境应力荷载,因此,如何提高浮式防波堤的水动力性能,减弱波浪对防波堤的破坏作用至关重要。而波浪能转换装置的建造研发成本较高,也阻碍了波浪能转换装置的研发与利用。考虑到波浪能转换装置在吸收波浪能的同时起到了一定的消波作用,因此可以将波浪转换装置与浮式防波堤结合起来研究,既能降低研究成本,又能对防波堤起到保护的作用。本文依托工信部高技术船舶重大专项《浮式保障平台工程(二期)》专题七—波浪能利用技术,开展基于浮式防波堤的波浪能利用技术研究。首先,以现有双浮筒浮式防波堤为支撑载体,搭载摆臂式浮子,建立基于浮式防波堤的波浪能转换装置的集成系统,针对目标海域的波浪条件,选择合适的波浪能浮子尺寸和布置方式,并研究了能量输出装置(Power Take Off,简称PTO)的阻尼系数、浮子吃水深度、浮式防波堤的存在、波浪能装置与浮式防波堤间距对波浪能装置发电性能的影响。研究发现,随着间距的变小,波浪能浮子的运动响应,发电功率以及俘获宽度比会相应的增大;浮子的运动响应和最大发电功率随着吃水的减少而增大;与防波堤耦合后波浪能装置的发电功率更大。然后,针对该浮式防波堤波浪能装置集成系统的特性,设计了一种新型模块化永磁直线发电装置,置于波浪能浮子内部,使其不与海浪直接接触,从而避免受到恶劣海况的影响,延长波浪能装置发电模块的使用寿命。开展了内置直线发电机模块和波浪能台架实验测试系统的设计。利用台架运动模拟测试系统模拟了波浪能装置在波浪中的纵摇运动,用以验证能量输出系统机械结构的合理性,运动特性和功率特性等,进一步验证了该波浪能发电装置的可行性。通过台架实验,选取不同机械参数(气隙、电阻),以及纵摇运动模拟平台的运动参数(周期和运动幅值)组合情况,得到内置发电模块的运动响应、输出功率。同时,基于线性阻尼假设,推导出了 PTO系统阻尼的求解方法,用以分析不同工况下PTO系统的有效阻尼、总阻尼,由此得到PTO系统的机械效率。最后,结合实际工作海况下波浪能装置的发电功率、俘获宽度比以及通过台架实验得到的发电机平均机械效率,预测浮式防波堤波浪能系统的发电能力。

关键词：波浪能转换装置浮式防波堤机械性能能量转换特性台架实验