风力发电与浮式防波堤一体化概念设计及水动力性能研究

摘要

相比于固定式防波堤，浮式防波堤有着工程造价低，有效预防水质污染以及对环境的适应性较强等优点，能够应用于更加广阔的深海。风资源是一种可再生的清洁能源，在节约资源以及保护环境等方面发挥着重要作用，由于风力发电本身具有总投入小、成本低和污染小等特点，越来越受到人们的关注。中国拥有1.8万公里的漫长海岸线，近海区域风力资源丰富，海上风力发电有着得天独厚的条件，因此设计出一种风力发电与浮式防波堤一体化装置具有重要的意义与价值。 本文基于应用海洋的环境特征，在防波堤模型设计基础上，选用双圆筒型浮式防波堤作为浮体结构，选取小功率风力发电机作为风力发电机组，结合二者特征设计出一种风力发电与浮式防波堤一体化发电装置，并且建立数值水槽，通过数值水槽来研究消波性能和运动响应，本文主要进行的研究工作如下: （1）通过对目标海域进行分析，确定波浪及风速条件，对风力发电与浮式防波堤一体化装置进行了初步概念设计，对主要部件进行了初步设计并进行了相关介绍，分析了该一体化发电装置工作原理及优点。 （2）采用CFD软件建立数值波浪水槽，根据边界造波理论与阻尼消波原理进行造波与水槽尾部的消波，运用VOF来捕获气液两相流，并将造波结果与理论值对比验证模拟的准确性，比较了两种造波方案，选最佳的造波方法。 （3）基于STAR CCM+软件，通过重叠网格划分技术模拟单方箱浮式防波堤透射系数及运动响应，并与试验结果进行对比，通过对比验证了该计算方法的准确性。采用该数值计算方法对一体化装置的双圆筒型浮式防波堤在不同波浪周期下的水动力性能进行研究，获得波浪的透射系数、反射系数、耗散系数和浮式防波堤的运动响应。 （4）对风力发电与浮式防波堤一体化装置的水动力性能进行分析，通过模拟所选风机在额定功率工作并监测了风机结构所受推力，对受到风机产生的推力作用下的浮式防波堤进行数值模拟，运用该计算方法对该一体化装置水动力性能进行数值模拟，进而得出波浪透射系数、反射系数、耗散系数和防波堤的运动响应，最后与双圆筒型浮式防波堤水动力性能进行对比分析。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究目的和意义

1.3 防波堤主要概况

1.3.1 浮式防波堤的类型

1.3.2 浮式防波堤系泊系统

1.4 国内外防波堤发展趋势

1.4.1 国外防波堤研究现状

1.4.2 国内防波堤研究现状

1.5风力发电发展趋势

1.5.1 国外风力发电研究现状

1.5.2 国内风力发电研究现状

1.6本文主要内容及创新点

第2章 基本理论

2.1 引言

2.2求解理论

2.2.1 控制方程

2.2.2 边界条件

2.2.3 湍流模型

2.2.4 数值离散方法

2.3 网格划分

2.4 自由液面模拟

2.5 数值水槽造波与消波

2.6 风载荷

2.6.1 风的概况

2.6.2 风速与高度的关系

2.6.3 风载荷计算

2.6 本章小结

第3章 风力发电与浮式防波堤一体化装置概念设计

3.1 引言

3.2 浮式风机基本特征

3.2.1风力发电机组

3.2.2塔架

3.2.3浮式基础结构物

3.3 南海环境参数

3.4 风力发电与浮式防波堤一体化装置概念方案设计

3.5主要部件设计及重心确定

3.5.1浮式结构物的设计

3.5.2风机的选取

3.5.3系泊系统设计

3.5.4重心位置计算

3.6 本章小结

第4章 数值计算方法验证

4.1 引言

4.2 数值水槽的建立及验证

4.2.1数值水槽的建立

4.2.2数值水槽的网格划分

4.2.3数值水槽造波对比

4.2.4分析与总结

4.3 数值计算与试验结果对比

4.3.1 单方箱浮式防波堤模型建立与网格划分

4.3.2 模型边界条件的设置

4.3.3 数值结果与试验结果对比分析

4.4 本章小结

第5章 双圆筒型浮式防波堤水动力性能研究

5.1 引言

5.2 模型相似性与主尺度

5.2.1相似原理介绍

5.2.2防波堤模型尺度

5.2.3数值模型建立与边界条件设置

5.3 数据处理方法

5.3.1 数据符号说明

5.3.2 透射系数和反射系数处理方法

4.3.3 运动响应测量及处理方法

5.4 计算结果分析

5.4.1双圆筒型浮式防波堤运动响应分析

5.4.2双圆筒型浮式防波堤消波性能分析

5.5 本章小结

第6章 风力发电与浮式防波堤一体化装置水动力性能研究

6.1 引言

6.2风机结构数值模拟

6.2.1模型参数的确定

6.2.2计算区域建立及划分

6.2.3模型网格划分

6.2.4计算结果分析

6.3 一体化装置计算结果分析

6.3.1一体化装置运动响应分析

6.3.2一体化装置消波效果分析

6.4 浮式防波堤与一体化装置水动力性能对比分析

6.4.1运动响应计算结果对比分析

6.4.2消波效果计算结果对比分析

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1研究内容总结及结论

7.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及学术成果

致谢