气囊式波能转换装置水动力数值模型与吸收效率分析

摘要

波浪能作为一种可再生能源，具有分布广泛、能流密度大、开发利用方便等特点。为有效利用波浪能，各国学者提出了若干种具有代表性的波能转换装置(WEC)，根据工作原理可分为振荡水柱式、点吸收式、摆式等。以上装置中提取波浪能的部分多数为刚性结构，所以在结构参数确定的情况下，只能在较窄的波频范围内提取较多的波浪能。 实际海况下波浪频谱较宽，为了增大波能转换装置高效率工作的波频宽度，Chaplin et.al（2015）提出了一种漂浮式气囊波能转换装置。该装置包括上部可压缩式气囊，底部空腔式沉子和设置于两者之间的PTO，三者组成一个封闭系统。气囊在波浪的作用下压缩和膨胀，迫使气体在气囊和沉子空腔之间来回流动，推动PTO工作，将波浪能转换为电能。针对气囊装置的特殊性，本文分别建立了气囊装置静力分析模型、水动力分析模型和波能吸收效率计算模型。气囊受到静水压力和内部气体压力，根据静力平衡建立方程，通过迭代方法求解得到不同参数条件下气囊的静平衡外形。通过与Chaplin et.al实验结果的对比，验证了静力分析模型的正确性。水动力模型中，忽略气囊弹性变形引起的辐射波浪力，即气囊上的波浪力为刚性气囊静止时受到的波浪激振力，基于线性势流理论利用边界元法求解。基于气体等熵原理建立了气囊在波浪作用下气压与气囊体积变形的关系。在动平衡方程中忽略气囊的惯性力，即气囊装置在波浪力作用下每一时刻均处于静力平衡状态。最后根据气囊静水外形数值迭代方法和气体等熵原理建立装置吸收效率计算方法。 针对漂浮式气囊和固定式气囊，分别开展了静力特性分析。研究了内部气压、沉子质量，张力筋腱长度等参数对气囊刚度的影响规律。针对固定式气囊波能转换装置，采用控制变量法研究不同结构因素对气囊装置波能吸收效率的影响，分析各参数的影响趋势和物理意义，得到最佳结构参数。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究概况

1.3 本文工作

2 气囊式波能转换装置数值模型的建立

2.1 气囊式波能转换装置简介

2.2 气囊式波能转换装置静力分析数值模型

2.2.1 气囊装置受力分析

2.2.2 已知内部气压求解气囊静水位型

2.2.3 已知内部气体质量求解气囊静水位型

2.2.4 数值模型验证

2.3 气囊式波能转换装置动力分析数值模型

2.3.1 计算假设

2.3.2 气囊结构时域波浪激振力求解

2.3.3 装置内部气体等熵过程及波能吸收效率

2.4 本章小结

3 气囊式波能转换装置的静力特性

3.1 漂浮式气囊结构参数对自身静力特性的影响

3.1.1 初始气压的影响

3.1.2 沉子质量的影响

3.1.3 张力筋腱长度的影响

3.1.4 内部气体质量的影响

3.2 固定式气囊结构参数对气囊静力特性的影响

3.2.1 初始气压的影响

3.2.2 张力筋腱长度的影响

3.2.3 气囊底端垂向坐标值的影响

3.3 本章小结

4 固定式气囊结构参数对水动力及波能吸收效率的影响

4.1 结构参数对气囊装置动刚度的影响

4.2 PTO阻尼的影响

4.3 装置初始气压的影响

4.4 气囊底端垂向坐标的影响

4.5 气囊张力筋腱长度的影响

4.6 附加气室V2体积的影响

4.7 附加气室V1体积的影响

4.8 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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