基于AQWA软件的类海蟒式波浪俘能装置的建模与仿真

摘要

海洋的面积占据了地球表面积的71％，其中蕴含着丰富的清洁可再生能源。世界各国开展了对波浪能转换的研究工作，在近海建成了多种类型的波浪能转换装置。海蟒式波浪俘能装置作为其中一种重要的波浪能转换装置，根据中国海况条件对其进行相关的数值研究，对于研发该类型的波浪俘能装置具有重要意义。
　　本文基于线性波浪理论，得到了波浪作用力和相关的水动力系数，并给出了本文所用模型的运动时域方程。利用水动力软件 AQWA的频域模块AQWA-LINE，建立了具有两节浮筒结构装置的仿真模型，得到了频域下该装置的波激力运动响应振幅算子、附加质量和辐射阻尼随频率的变化曲线。在频域计算的基础上，利用AQWA-NAUT时域模块对该装置进行了单向规则波作用下的运动响应仿真，得出了浮筒在波浪中所受的波激力、重心的位移和速度随时间的变化曲线。
　　简述了海蟒式波浪能转换装置的工作原理。根据具有五节浮筒结构的该装置模型，通过数值模拟计算分析了各相邻浮筒间的相对纵摇角速度的变化规律，并给出基于该纵摇运动速度的俘能功率和俘获因子的计算公式。当给定 PTO阻尼时，研究了波高、波浪周期、淹深和阻尼参数对装置俘能特性的影响。
　　对于规则波作用下的该装置，给出了最大功率所对应的最优控制力。并在最优控制力为最优阻尼力的情况下，进一步研究了浮筒参数和波浪参数对整个俘能装置俘能特性的影响。首先将水动力软件AQWA和Matlab整合到优化平台Isight中，建立了联合仿真优化流程，依据数值优化算法，得出了该装置的最优阻尼值。在最优阻尼条件下，研究了不同的浮筒截面对装置俘能特性的影响，得出了选用椭圆形浮筒能显著提高装置的俘能功率；研究了浮筒长度与波长之比变化对俘能功率的影响，得出了浮筒长度为波长的一半时能获得最大的俘能功率；分析了淹深与装置俘能功率的关系，得出了淹深的增加对俘能功率影响较小；通过对不同浮筒节数的装置进行仿真研究，得出了浮筒长度为4或5节时能保证装置的俘能效果和经济性。并基于中国海况下，分析了浮筒长度与俘能功率的关系，得出了适宜中国海况条件的单节浮筒长度。

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第一章 绪论

1.1 海洋波浪能量转换技术和研究意义

1.2 近海中波浪能的利用

1.3 海蟒式波浪能转换装置

1.4 国外研究现状分析

1.5 国内研究现状分析

1.6 主要研究内容

第二章 浮体受力与运动分析

2.1 引言

2.2 微幅波理论

2.3 频率模型方法

2.4 浮体的频域运动方程

2.5 浮体的时域运动方程

2.6 本章小结

第三章 AQWA仿真模型的建立

3.1 引言

3.2 AQWA软件简介

3.3 装置的工作原理

3.4 频域模型的建立

3.5 时域模型的建立

3.6 不规则波作用下装置的运动响应分析

3.7 本章小结

第四章 特定阻尼下的参数影响分析

4.1 引言

4.2 具有五节浮筒结构的装置运动响应分析

4.3 装置俘能功率的计算

4.4 特定阻尼条件下的参数影响分析

4.5 本章小结

第五章 最优阻尼下的浮筒参数优化分析

5.1 引言

5.2 最优阻尼理论

5.3 基于Isight平台的自动优化

5.4 最优阻尼条件下的参数影响分析

5.5 浮筒长度的优化

5.6 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢