兼顾波力发电防波堤结构设计与试验研究

摘要

在岛礁工程实施过程中，可靠稳定的电力能源对海岛的开发、建设以及岛上居民的日常生活至关重要，但是岛礁工程的建设受到地理位置、自然环境等限制，存在能源短缺问题。兼顾波力发电防波堤集成防波堤与振荡水柱波力发电装置的共性特点设计而成,既能够使港区免遭波浪侵袭，为港区提供良好的船舶泊稳条件，还能实现海洋波浪能发电，缓解远海供电问题。
　　本文以“海上能源岛创新工程”与“哈尔滨工程大学自由探索支持项目——兼顾波力发电的新型防波堤系统设计与试验研究”为依托，首先开展兼顾波力发电防波堤（taking into account the Wave Power of Breakwater，WPB）结构初步设计与物理模型试验研究，分析试验波浪力与浮托力的影响因素与变化趋势，其次计入试验波浪力进行结构优化设计，计算结构整体稳定性，然后对优化后结构进行有限元静力响应分析，探究WPB结构局部应力特征。具体研究内容如下:
　　(1)在重力式防波堤与振荡水柱波力发电装置方面的国内外研究成果与现状分析的基础上，利用STAR-CCM+软件，分析不同倾斜角度下的相对波高变化趋势，确定堤前斜坡式挡浪板最佳角度;基于波浪要素条件与港工规范，完成兼顾波力发电防波堤结构初步设计，论证结构整体稳定性。
　　(2)开展造波系统、物理试验模型设计与制作、波压力监测点布置、模型配重等方面研究，确定模型试验方案;从入射波周期、工作水位、通气孔是否封闭三个因素，完成试验波浪力与浮托力影响因素分析，并通过各监测点波压力的时域分析，获取兼顾波力发电防波堤堤前波浪力与底部浮托力整体分布特征。
　　(3)对比试验波浪力与经验公式计算结果，论证试验波浪力下的结构整体稳定性;考虑结构整体稳定性系数偏高，开展计入试验波浪力的WPB沉箱结构仓格尺寸、后方填料优化设计，计算结构整体稳定性，并对优化后的WPB结构进行有限元数值模拟，分析结构局部应力应变分布，评估优化后结构是否满足强度要求。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1重力式防波堤研究现状

1．2．2振荡水柱波力发电装置研究现状

1．2．3防波堤与OWC发电装置相结合的研究现状

1．3主要研究内容

1．4技术路线

第2章兼顾波力发电防波堤结构初步设计研究

2．1设计条件

2．2波浪能转换装置设计

2．2．1 CFD基本理论

2．2．2模型构建

2．2．3形状参量对气室捕能效果的影响

2．2．4波浪能转换装置结构尺寸设计

2．4兼顾波力发电防波堤稳定性验算

2．4．1堤前波浪形态确定

2．4．2波浪力计算

2．4．3防波堤稳定性计算

2．5本章小结

第3章兼顾波力发电防波堤模型试验研究

3．1试验目的

3．2试验设备与仪器

3．2．1造波系统

3．2．2测量仪器

3．3试验模型设计与制作

3．3．1试验水槽及试验模型设计、制作

3．3．2波压力传感器空间布置

3．3．3波高仪空间布置

3．4稳定性试验内容

3．5物理模型试验介绍

3．5．1试验操作流程

3．5．2数据后处理

3．6模型试验波浪力与浮托力影响因素分析

3．6．1入射波周期影响因素分析

3．6．2工作水位影响因素分析

3．6．3通气孔封闭影响因素分析

3．7模型各监测点波压力时域分析

3．8本章小结

第4章兼顾波力发电防波堤结构优化研究

4．1试验数据与理论公式计算结果对比

4．2兼顾波力发电防波堤结构稳定性分析

4．3计入试验波浪力的结构优化设计

4．4优化后兼顾波力发电防波堤数值模拟分析

4．4．1模型材料与单元类型选择

4．4．2防波堤与基床之间接触分析

4．4．3荷载和边界条件的施加

4．4．4兼顾波力发电防波堤结构静力响应分析

4．5本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢