岸式振荡水柱波能发电装置的试验及数值模拟研究

岸式振荡水柱波能发电装置是目前世界上应用最为广泛的波能转换利用装置。对该类波能转换装置的全面深入研究,可为开发设计更为高效的波能转换与利用装置提供指导,对解决日益严峻的能源和环境问题具有重要意义。本文以岸式振荡水柱波能发电装置的实用化开发为背景,采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法对该类波能发电装置进行了系统的研究。 对气室结构的物理模型试验研究,发现了气室内自由水面振荡波幅、相对压强及输气管内空气流速与入射波要素的变化关系,考察了气室宽度、前墙吃水深度、前墙厚度、底坡坡角及气室顶部开口形式在不同的波周期区对气室波能俘获能力的影响,在此基础上遴选出影响气室工作性能的主要参量,并建议根据不同气室结构和参量选择二、三维数值计算模式。 本研究构建了基于水气两相VOF模型的二、三维数值波浪水槽,采用PLIC法进行自由水面追踪方法有效可靠,波浪周期、波长及波高等参量的计算值与理论解析解基本一致。 气室结构的二维数值模拟发现,相对波幅会在入射波周期范围内形成三个具有不同分布特征的区域:短周期区,峰值区及长周期区。气室宽度较小时,气室墙前水深、气室前墙吃水深度、气室前墙厚度及海底坡角对气室性能具有一定的影响;气室宽度较大时,相对波幅在入射波周期范围内不存在峰值区,且上述各参量对气室波能俘获能力的影响则较小。 与二维计算及试验结果相比,三维数值波浪水槽能够更为准确地预测气室内相对波幅、相对压强及输气管内流速。气室宽度、气室长度及输气管管径对气室工作性能的影响较大,输气管管长及其装配位置对气室波能转换效率的影响则较小。波浪聚集装置能够在长周期区提高气室—输气管系统的工作性能,多孔介质模型可模拟空气透平对气室—输气管系统的压降作用及其对输气管内流量变化的影响。 本文建立了基于多重参考系模型冲击式透平的三维数值模拟方法,确定了计算中应采用的湍流计算模型,网格类型与网格数范围。与试验结果的比较表明,三维数值模拟对透平工作性能的计算结果优于二维模式。本研究通过数值模拟得到了透平内空气流场及动叶片表面压力分布规律,给出了动叶片数,透平径间比,动叶片入射角,动叶片装置角,透平轮毂比及动叶片外径间隙的最佳设计值,提出了在动叶片顶端安装环形盖板及设置动叶片弯扭角的优化方案。