振荡滑杆式波浪能转换系统研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:minglancao002
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随着海洋开发的逐步深入,解决远海能量供给困难的需求也日渐迫切,就地取材、就地使用的海洋可再生能源开发势在必行,分布范围广、持续时间长、蕴藏量丰富的波浪能得到了越来越多的关注。本文重点研究一种带有斜滑杆的振荡浮子式波浪能转换系统,根据水动力学计算和振动特性优化对装置一级能量捕获系统进行优化设计,同时对优化结果进行模型试验验证。取得的研究成果有以下几个方面:  本文首先简要介绍了国内外波浪能装置发展现状,在分析各种类型装置的优缺点之后,根据千瓦级波浪能装置的特点对鹰式装置进行改进,进行振荡滑杆式波能装置的设计。该装置保留具有良好波浪捕获性能的鹰式吸波浮体,用斜滑杆代替原来的半潜平台,以降低建造成本。吸波浮体在波浪作用下带动液压缸沿滑杆往复运动,将波浪能转换为其他形式的能量输出。在设计方案确定之后,本文针对振荡滑杆式波能装置进行水波动力学性能计算,将流体计算域拆分成内域和外域两部分,基于边界元理论,采用分离变量法和格林函数法自编程序计算速度势的分布,然后利用模态法建立不破坏系统约束的运动方程,求出在频域范围内装置在指定模态上受到的波浪力、振荡位移、最优外部阻尼以及俘获宽度比等参数。首先将长方体和半潜浮球的计算结果与前人的解析解进行对比,以验证计算方法的准确性;其次,针对线性入射波作用下的振荡滑杆式波浪能装置这种有内部约束关系的系统,将其分为滑杆倾角固定的单运动模态系统和滑杆倾角不固定的双运动模态系统进行水动力学计算,分析了吸波浮子外形、滑杆倾角、迎波角度以及外部阻尼对装置性能的影响,给出了不同波况下的附加质量、阻尼系数等水动力学系数,以及吸波浮子所受到的波浪激励力、辐射力、振荡位移、俘获宽度比等,对波浪能装置实型样机的设计与优化有一定的参考价值。  其次,文章展开对振荡滑杆式波能转换系统振动特性的优化,并利用模型试验验证优化效果。在波浪激励力作用下波浪能装置的运动是一种典型的有阻尼的强迫振动。根据振动特性对振荡滑杆式波能转换系统进行优化,通过降低质量、增加弹性系数的方法减小吸波浮体运动与波浪的相位差,以实现波能捕获效率的提高。将优化前后的物理模型进行对比性试验,试验结果证明:低惯性波能转换装置水动力学响应明显优于普通惯性波能装置,波浪能俘获效率大幅增加,测得最优俘获宽度比由29.85%提升至51.73%,且对工作环境的适应性大大增强,能够在不同的波况下保持较好的能量俘获性能。模型试验得出的俘获宽度比随周期的变化与理论计算结果的对比显示出较好的一致性,进一步验证了计算方法的准确性。  本文分别对振荡滑杆式波能装置的水动力学计算以及系统振动特性优化展开研究,取得的成果对该类型装置后期的研建工作具有指导意义。
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