振荡浮子式波浪发电装置的水动力学特性研究

面对严峻的能源危机，低碳、节能和开发利用可再生能源将成为世界能源发展的主题。占地球总面积71%的海洋首先进入开发者的视线，而波浪能以其储量大，分布广，获取方式多样等优势成为最有发展前景的海洋能源之一。 当今，以振荡浮子为能量摄取机构、机械液压为能量传递模式的第三代波浪发电装置已经成为波浪能开发的主流和热点，同时，形状选取和装置负载两方面的研究均对该种波浪发电装置的深入探索提出了迫切要求。本文对振荡浮子及能量输出负载进行了全面的考察。 选取常见的圆柱形、圆锥形浮子，基于势函数理论求解浮子的附加质量和阻尼系数；对浮子进行受力分析时考虑能量输出负载对装置的影响，建立流体力学方程以及边界方程；通过求解方程，分析浮子的重量、形状及形状参量对其能量吸收频段、共振频率及相对振幅的影响，获得了最优浮子形状及形状参量。 对装置进行了物理模型试验，通过监测浮子上、下行的运动过程，明确了浮子在空载情况下重量、形状、波浪要素与浮子随波性的关系，试验结果与理论分析结果吻合；本文通过模拟电负载作用下浮子在波浪中的耦合运动，分析了负载对浮子运动速度及输出功率的影响。 基于雷诺时均方程和VOF自由液面追踪方法，建立了适用于振荡浮子波能发电装置的三维数值波浪水槽。理论分析及物理模型实验结果验证显示，在该水槽中的模拟试验不仅可以反映波浪入射条件对浮子运动速度的影响，对于不同形状浮子的运动描述也较准确。 构建了原型装置的数值模拟平台，通过引入能量输出负载的模拟方法，对能量输出负载作用下原型浮子的耦合运动进行模拟，分析了不同周期条件下负载对浮子运动的影响，为能量输出负载的设计提供工程指导。 本文综合运用理论分析、物理模型试验和计算流体力学数值模拟方法，确定了装置的形状和具体形状参量，获得了负载作用下浮子的运动规律。