浮式潮流能载体与水轮机耦合运动特征研究

摘要

随着化石燃料的逐渐枯竭与环境的日益恶化，海洋可再生能源逐渐引起了世界各国的关注。潮流能作为海洋能中的一种，成为了海洋工程与能源领域中新的热点。漂浮式潮流能电站以其成本低、便于安装与维护等优点，获得了广泛的应用。漂浮式潮流能电站长期系泊于海上，受到风、浪、流等环静载荷作用的同时水轮机的周期性旋转与振动还会带来额外的激励力。由此，电站会受到不同频的激励源的作用而产生复杂的运动。在以往的分析中，通常以定常附加阻尼和定常外力来代替水轮机的贡献。虽然这样可以在一定程度上反应运动幅值的变化，但对运动的描述并不准确。本文考虑了水轮机受到的波浪力与水轮机自激力的周期性变化，求解水轮机对电站载体运动的影响。
　　首先建立系泊漂浮式载体搭载立轴水轮机系统各部分受力的理论模型。运用该理论模型开展求解方法和水动力载荷研究：对于水轮机，应用 CFD方法求解受迫振荡的水轮机的水动力，将受力拟合为周期性变化的水动力系数与自激力。对于浮式载体，推导垂直圆柱体在波浪中受力的辐射与绕射问题，以一种圆盘作为漂浮式潮流能电站的载体。对于系泊系统，确定锚链的参数，将其等效为一个附加的刚度矩阵。综合上述因素讨论电站工作状态下的平均位移。
　　对于电站载体的运动，在频域内，本文运用傅里叶级数展开的方法推导了非线性运动方程的半解析解，并将方程分解为自激励运动与波浪激励运动。通过编写程序，求解了单位规则波中纵荡与纵摇自激励运动响应与耦合运动响应，比较了不同波浪频率下工作状态与停机状态下的运动响应幅值，并探索了水轮机不同转速对运动的影响。
　　最后，本文针对漂浮式潮流能电站载体的运动推导了间接时域法的运动方程，给出延迟函数的数值解法，编写了时域运动程序。针对不同转速的水轮机，本文在规则波中模拟了电站纵荡与纵摇的运动时历，分析其初始阶段与稳态的运动规律；根据 Jonswap谱模拟了不规则波浪，并在不规则波中求解了运动时历，分析水平运动的极值，并对判断叶尖是否出水，以保证电站各部分的安全。

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第1章 绪论

1.1引言

1.2潮流能技术与装置发展现状

1.3潮流能水轮机水动力研究进展

1.4浮式结构物水动力学方法进展

1.5本文主要工作内容与基金支持

第2章 漂浮式潮流能电站运动与水动力理论模型

2.1浪流作用下水轮机载荷简化模型

2.2基于CFD的水轮机载荷模型

2.3垂直圆柱体在波浪中绕射与辐射问题求解

2.4系泊悬链线准静力模型

2.5系泊系统等效刚度模型

2.6本章小结

第3章 漂浮式潮流能电站水动力与平均位移计算分析

3.1水轮机与电站体水动力系数分析

3.2锚链的选取与布置

3.3漂浮式系泊电站平均位移分析

3.4本章小结

第4章 漂浮式潮流能电站耦合运动频域分析

4.1漂浮式潮流电站在波浪中运动的一般方程

4.2潮流电站水轮机自激励运动方程频域级数解

4.3自激励运动稳态分析

4.4规则波中运动响应方程的频域级数解

4.5规则波中耦合运动的频域稳态分析

4.6本章小结

第5章 漂浮式潮流能电站耦合运动时域分析

5.1时域运动方程

5.2延迟函数求解

5.3自激励运动时域模拟

5.4规则波中潮流电站运动时域模拟

5.5波浪谱的选取

5.6不规则波中潮流电站运动时域模拟

5.7本章小结

结论

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