【摘 要】
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振荡浮子式波浪能装置（OB-WEC）由于其占用海域面积小、适应性强、施工成本和维护成本较低等优点,是目前比较流行且广为使用的波浪能装置（WEC）。增加自由度数目可以有效提高传统OB-WEC的水动力性能和能量利用率。因此,本文研究一个新颖的具有多自由度的OB-WEC,并通过水池物理实验对模型进行了研究。本文设计的OB-WEC主要由悬挂系统、PTO系统和浮子系统这三部分组成。其中,PTO系统具有机械整
【基金项目】
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国家重点研发计划（2018YFB1501904）；
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振荡浮子式波浪能装置（OB-WEC）由于其占用海域面积小、适应性强、施工成本和维护成本较低等优点,是目前比较流行且广为使用的波浪能装置（WEC）。增加自由度数目可以有效提高传统OB-WEC的水动力性能和能量利用率。因此,本文研究一个新颖的具有多自由度的OB-WEC,并通过水池物理实验对模型进行了研究。本文设计的OB-WEC主要由悬挂系统、PTO系统和浮子系统这三部分组成。其中,PTO系统具有机械整流的功能,能够实现将线性往复运动转换为单向旋转运动。基于能量在WEC中传递的顺序,本文建立了一套能量评估方案。结合测量大量仪器设备,实现了从波浪能输入,到WEC对能量进行吸收、转换、输出的全过程实验研究。本文研究的变量主要包括自由度的数目以及负载阻值。首先,本文设计实验测试了OB-WEC模型的各项参数,包括模型的转动惯量和各自由度方向上的振动周期。在本文尺度下,测试发现OB-WEC模型沿横摇和纵摇方向的转动惯量与自身长度近似成正比关系,且纵摇方向的转动惯量要大于横摇方向的。浮子在垂荡方向的自振周期为3.5s,横摇和纵摇方向自振周期分别为10.12s和11.14s。接下来,在多自由度条件下进行水池实验,研究OB-WEC模型的各项性能。研究发现在短周期波浪激励下,浮子主要沿纵摇和垂荡方向运动。而当波浪周期较大时,浮子开始沿横摇方向的摆动幅值也逐渐增大。进一步研究发现横摇方向运动的频谱中出现了0.5倍波浪激励频率,这一结果符合参数共振现象。之后结合浮子的空间变化轨迹和实验截图对参数共振这一现象进行了验证。之后,研究在限制横摇和纵摇两个方向的自由度后,OB-WEC模型的运动性能和能量状态特性的变化。研究发现自由度数目减少后,浮子在垂荡方向的位移幅值出现明显的减小。各级能量状态的功率和传递效率的峰值都出现了明显的下降,而且峰值对应的波浪周期也发生了明显的改变。相对于多自由度,单自由度条件对模型在在长周期波浪条件下的能量转换是有利的。最后,研究负载对OB-WEC模型的运动性能和能量状态特性的影响。研究发现在本文测试阻值范围内,存在一个电阻阻值使得各级能量状态的功率和传递效率最大。
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