减摇发电装置动力学特性半解析解研究

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:anan9077
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本文组合了浮式铰接平台和波能转换装置,构建减摇发电装置(Anti-pitching Generating WEC,AGWEC),在铰接的浮式平台之间安装波浪能装置,通过动力输出(Power Take-Off,PTO)阻尼减小平台之间的相对纵摇,与此同时PTO系统产生电能,实现两者之间的优势互补与自给自足的目的,并针对此装置发展引入粘性耗散效应的势流理论动力学特性半解析解,揭示了波浪与多浮体之间耦合运动的复杂机理,在一定程度上丰富了基于真实流体的浮体水动力学计算方法。本文介绍了减摇发电装置总体结构方案,并依据结构方案,采用特征函数展开和匹配(Eigenfunction Expansion-Matching,EEM)方法,研究了减摇发电装置位于势流中的绕射与辐射,并以此为基础得到了装置具有的纵摇绕射波浪激励力矩以及纵摇辐射水动力系数(附加质量和辐射阻尼)的半解析表达式,同时分析了不同的浮体轴间距对于装置纵摇绕射波浪激励力矩与纵摇辐射水动力系数的影响。基于减摇发电装置波浪激励力矩以及辐射水动力系数并融入线性PTO弹簧-阻尼系统,构建双自由度组建频域运动控制方程组,获得减摇发电装置在频域分析下的运动响应、平均输出功率与平均俘获宽度比解析解;通过对PTO系统的解析优化,揭示装置高效能量俘获机理,并分析了不同波浪条件及PTO阻尼系数下减摇发电装置的频域动力学特性。基于脉冲响应函数(Impose Response Function,IRF)法转化频域解析式为时域半解析式,同时基于非线性PTO系统,构建时域运动控制方程组,通过定步长的龙格-库塔法(Runge-Kutta Methods)求解规则波下减摇发电装置时域运动响应与瞬时输出功率数值解,基于不规则波浪理论,选定ISSC波浪谱,研究不规则波下减摇发电装置的时域动力学特性。应用基于STAR-CCM+的CFD方法数值模拟减摇发电装置的运动特性,并将粘性耗散效应引入至势流理论方法中,得到具有粘性耗散项的纵摇绕射波浪激励力矩以及纵摇辐射水动力系数半解析解,同时将考虑粘性效应的势流结果同CFD方对比验证,获得合适的粘性耗散修正系数,并讨论不同的浮体轴间距对于粘性耗散修正系数的影响。本文针对减摇发电装置的研究,提高了波能转换系统的能量捕获效率,有效的改善了组合系统的整体性能,同时本文针对海洋能利用装置的开发与优化可以有效减缓沿海地区的能源供给压力,具有相当广阔的应用前景与工程实际意义。
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