非线性规则波中波能转换装置的水动力特征与能量转化效率研究

摘要

波浪能作为一种取之不竭的可再生清洁能源，具有密度高和分布面广等特点。波浪能等可再生能源的开发和利用将对解决能源危机、环境污染和气候变化等问题发挥巨大的作用。为此，波能转换装置应运而生。它是一种专门安装于海洋的吸收波能的装置，本文专门对该装置的水动力性能和效率问题进行深入的研究。
　　本文基于完全非线性边界条件下的势流理论方法研究波能转换装置的水动力性能和效率问题。控制边界包括物面、自由面、远方控制面和水底，采用边界元法将全部边界离散成一系列线性单元。利用非线性自由表面运动学边界条件追踪自由液面的位置，利用动力学边界条件更新自由液面上的速度势。采用辅助函数法计算物体表面压力。为了进行长时间的数值计算，在远方控制面附近布置一个波长的阻尼区域，以消除物体传向远方的扰动波以及控制面的反射波。在时域计算过程中，利用四阶龙格库塔法对物体在波浪激励下的运动和自由表面进行时域步进更新。
　　本文首先研究了二维物体在非线性规则波中的水动力特征。强迫二维楔形体以两个自由度(垂向和水平)进行匀速运动，进入一个五阶无限水深斯托克斯波中。在空间域内采用伸缩坐标系，选取二维物体在物理坐标系下的垂向入水距离为缩放基准，在初始阶段采用入射势和扰动势分离的处理方法，只对扰动势进行求解，以避免全部速度势中的入射势与初始时刻极小入水距离相除的结果过大。给出压力分布的具体结果，讨论重力和波浪效应对压力分布的影响。描述自由液面的变化，分析自由面变化对压力分布的影响。
　　以二维物体在规则波中运动的数学模型为基础，本文进一步研究了摆板式波能转换装置在非线性规则波中运动的水动力性能，重点分析流体重力、波浪力和自由液面变形对压力分布特征的影响。当该波能转换装置在波浪中摇摆时，会发生砰击现象，造成物面与自由面交点附近区域局部压力过大，同时自由面会发生翻卷。当形成翻卷射流时，采用区域分解方法将整个计算域分成两个子域，第一个子域对应翻卷波部分，第二个子域对应除翻卷波以外的其余流体，两个子域交界处满足速度和压力连续边界条件，从而避免了计算域重叠现象。
　　本文重点研究安装于近海的摆板式波能转换装置Oyster和Waveroller的效率问题，分别采用完全非线性时域和线性频域方法建立规则波与Oyster和Waveroller型波能转换装置相互作用的数学模型。采用时域方法时，给出给定非线性规则波和能量输出系统条件下波能板的耦合运动方程，对波能板运动和流体力进行解耦，求解波能板运动，并计算波能板所吸收的能量和效率。采用频域方法时，对流场速度势进行分解，给出波能板在频域内的稳态运动方程，在此基础上推导线性条件下能量转换效率的解析表达式，分析达到最优效率需要满足的条件。通过频域理论分析，可以得出当固有频域与波浪频率一致且能量输出系统的机械阻尼与辐射阻尼相同时，系统效率最大。在数值计算分析中，将小波浪情况下的完全非线性时域结果与线性频域结果进行对比分析，以验证数值过程的准确性。在大波浪条件下分析非线性对数值结果的影响。在完全非线性系统中研究波能吸收的机理和提高系统效率的方法。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 波浪能分布

1.3 国内外相关研究综述

1.4 课题研究方法综述

1.5 核心技术分析与解决思路

1.6 本文研究内容

第2章 完全非线性时域分析的基本理论

2.1 坐标系定义

2.2 数值过程

2.3入射波

2.4 本章小结

第3章 二维物体在非线性规则波中的水动力性能研究

3.1 数学模型与数值过程

3.2 数值算例

3.3 本章小结

第4章 摆板式波能转换装置在非线性规则波中的水动力性能研究

4.1 数学模型与数值过程

4.2 翻卷射流的数值处理方法

4.3 数值结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 摆板式波能转换装置效率的理论研究

5.1 波能吸收效率的计算

5.2 波能吸收效率的时域求解方法

5.3 波能吸收效率的频域求解方法

5.4 本章小结

第6章 摆板式波能转换装置效率的数值分析

6.1 Oyster波能转换装置

6.2 Waveroller波能转换装置

6.3 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 本文结论

7.2 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢