振荡水柱波能转换器效率分析及改进方案研究

摘要

海洋中的波浪能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。波浪能转换器可以将波浪能转换为电能等可利用的能源。波能转换装置的发展日新月异。振荡水柱(OWC)波能转换器是目前世界上应用最广泛的一种。本文通过数值方法研究了振荡水柱波能转换器的水动力学特性。同时，提出一种新型振荡水柱式波能转换器。
　　本文在势流理论的基础上，建立了OWC装置的二维数学模型。应用基于混合欧拉.拉格朗日(MEL)描述的去奇异边界积分方程法(DBIEM)模拟了完全非线性波浪。在对OWC气室内振荡气体压强的模拟时，忽略了空气的可压缩性，并认为通过空气透平的质量流速与压强差成正比(线性透平)。在前墙淹没深度较小时，本文数值计算的结果与早先理论分析的一致。同时，讨论了无量纲的气室宽度、前墙淹没深度、水深、波高和透平系数等对波能吸收效率的影响。
　　在此基础上，研究了OWC在消反射下的水动力学特性。通过调整OWC腔室内振荡压强的幅值和相位，使OWC工作于消反射状态。研究了波能吸收效率与OWC腔室内振荡气体压强的幅值、相位的关系。数值计算的结果表明：消反射状态下，OWC的波能吸收效率比传统形式的OWC高很多。此时，OWC腔室内振荡压强和通过透平的气体流量的幅值增大且二者存在相位差，这与传统的OWC是不同的。
　　根据以上分析，提出了一种新型OWC波能转换装置，这种新式OWC的气室内振荡压强和通过透平气体流量之间的相位差可以调整。因此在不同波况下，可以获得较高的能量吸收效率。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪 论

1.1 研究背景

1.1.1 能源危机

1.1.2 可再生能源

1.1.3 波浪能及其优点

1.1.4 我国开发波能的必要性

1.2 波浪能利用技术的研究历史及现状

1.2.1 国外波能应用的发展概况

1.2.2 我国波能应用的发展概况

1.3 波能转换装置发展趋势

1.4 本文的主要研究内容

第2章 振荡水柱波能转换装置

2.1 结构形式

2.2 OWC的水动力学原理

2.3 波能转换效率分析

2.3.1 波能转换效率的定义

2.3.2 影响波能转换效率的因素

2.3.3 提高波能转换效率的方法

2.4 本章小结

第3章 完全非线性波浪的数值模拟

3.1 控制方程及边界条件

3.1.1 控制方程

3.1.2 边界条件

3.2 无量纲方程

3.3 去奇异边界积分方程

3.4 求解自由液面

3.4.1 自由液面求解方法

3.4.2 自由液面的网格重构

3.4.3 自由液面的光滑方法

3.5 数值阻尼层

3.6 数值造波

3.7 数值波浪水槽的验证

3.7.1 二阶Stokes波

3.7.2 线性波越过潜水堤

3.8 本章小结

第4章 OWC波能转换装置的数值模拟及效率分析

4.1 计算模型

4.2 OWC气室内的气体压强

4.3 计算结果

4.4 基于两点测量值的分波方法

4.4.1 基于最小二乘法的数据拟合

4.4.2 分波方法

4.5 OWC波能转换装置的效率分析

4.5.1 OWC前墙淹没深度对能量吸收效率的影响

4.5.2 OWC气室宽度对能量吸收效率的影响

4.5.3 入射波波高对能量吸收效率的影响

4.5.4 水深对能量吸收效率的影响

4.5.5 空气透平系数对能量吸收效率的影响

4.6 本章小结

第5章 消反射下OWC的水动力学分析及改进方案

5.1 边界条件的调整

5.2 振荡压强的确定

5.3 能量吸收效率

5.4 消反射时OWC的特点

5.5 振荡水柱-U型管组合式波能转换装置

5.5.1 设计思路

5.5.2 工作原理分析

5.6 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

致 谢