基于CFD的海蟒式俘能装置的水动力学特性研究

摘要

随着社会的发展,化石矿物燃料的日益消减,不仅引发了一连串的环境问题,还导致了能源危机。由于波浪能环保可再生、清洁的特点,人们将目光投向了海洋开发。波浪能储量丰富,目前很多国家都在开发波浪能。但海洋环境随机多变,波浪不稳定,故对高效实用的海蟒式俘能装置的研究,具有潜在的现实意义和广阔前景。
　　本文首先列出了一阶线性波浪的控制方程和边界条件,推导出了一阶线性波浪的速度势函数和波面高方程。在一阶线性波浪理论的基础上,通过CFD商用软件FLUENT建立二维数值水池模型,并利用UDF编程在流场控制方程中添加质量源项、动量源项实现数值模拟波浪;同时在水池末端添加阻尼源项消波。对比了同参数波浪下的理论解与仿真解的差异,得出了波浪模拟的规律;验证了水槽末端的消波效果;得出了FLUENT数值造波用于俘能装置流固耦合的可行性。
　　给出了俘能装置单浮筒在自由表面运动的流场控制方程和边界条件,理论分析了俘能装置单浮筒的附加质量和附加阻尼的影响因素;并基于FLUENT的附加质量和附加阻尼的计算原理,通过FLUENT建立俘能装置单浮筒的数值模型,利用UDF编程和动网格技术使其做微幅振动,研究了其分别在垂荡、纵荡、纵摇模态下的受力情况,得出了俘能装置单浮筒的水动力学特性——附加质量和附加阻尼系数。
　　概述了海蟒式波浪发电装置的工作原理,重点分析了海蟒式俘能装置的空间受力,并依据刚体运动理论和拉格朗日方程建立了俘能装置的流固耦合数学模型;在二维数值水槽技术和俘能装置流固耦合数学模型的基础上,通过FLUENT的UDF编程和动网格技术,将黏性流体的控制方程与俘能装置的动力学方程耦合,分析了同一波浪参数下俘能装置两浮筒的受力与运动情况,说明了俘能装置可驱动液压缸做往复运动的原因。重点研究了两浮筒纵摇相对角速度,并分析了波浪波高对波浪发电装置功率的影响。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外波浪发电装置研究进展

1.3 波浪俘能装置的水动力学研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 二维波浪水池的数值模拟

2.1 引言

2.2 波浪理论基本方程

2.3 源造波理论

2.4 消波理论

2.5 二维波浪水池的FLUENT的模拟

2.6 本章小结

第3章 俘能装置的附加质量与附加阻尼的求解

3.1 引言

3.2 附加质量与附加阻尼的理论推导

3.3 附加质量与附加阻尼的FLUENT求解

3.4 数值计算结果

3.5 本章小结

第4章 海蟒式俘能装置的动力学分析

4.1 引言

4.2 俘能装置的运动理论基础

4.3 俘能装置角速度对发电功率的影响

4.4 俘能装置动力学模型参数的计算

4.5 龙格库塔法求解非线性微分方程组

4.6 基于FLUENT的俘能装置动力学分析

4.7 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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