带收缩水道的沉箱防波堤兼OWC装置结构形式的研究

摘要

沉箱防波堤是一种常见的港口建筑物，用以阻断波浪冲击力，维护港池内水面平稳。OWC(Oscillating Water Column)装置是一种利用波浪能发电的装置，其构造简单、对外海环境适应性强、发电效率高。利用沉箱隔舱和OWC气室的构造相似性将沉箱防波堤和OWC装置结合，可以减小防波堤所承受的波浪荷载，降低堤前的反射波高，并利用波浪能量进行发电。
　　本文设计了一种带收缩水道的沉箱防波堤兼OWC发电装置，使用物理模型试验及三维数模试验的方法对其工作性能进行了深入研究，主要研究内容为如何提高装置的波浪能转换效率。
　　物理模型试验在波浪水槽中进行，主要研究收缩水道结构、入射波要素、气室形状参数对装置波能吸收效果的影响，考察参量包括气室内水体振荡波幅、气室顶部点压力及结构前墙的波浪反射率。试验结果表明，收缩水道结构、入射波要素、气室形状参数对装置的波能转换效率影响很大:收缩水道结构相对于无水道结构具有更好的波能吸收效果;入射波的波高越大周期越长，则转换的波能总量越多;增加水道长度、减小前墙倾斜角度、增加气室入口宽度可增强装置的波能转换效率，其中增加气室入口宽度的效果最为明显;气室长度的影响较复杂，要结合入射波周期条件综合考虑。
　　数值模型试验在商用CFD软件FLUENT建立的三维数值水槽中进行，数值计算的控制方程采用三维N-S方程，湍流模型采用RNG k-ε模型，求解方法采用PISO算法，水气交界面采用VOF模型进行追踪，并采用质量源造波方法、动量源消波方法对数值波浪进行模拟。数模试验主要研究水道收缩系数、水道形式及气流通道断面面积对装置波能转换效果的影响，考察参量为气室内水体振荡波幅、气室顶部点压力及气流通道内空气流速。水道收缩系数对结构的工作性能有很大影响，两壁收缩的水道比两壁平行的水道波能转换效果要好，但并不是收缩系数越小越好，理论上应存在一个最佳收缩系数;从水道形式来看，折角为钝角的折线型的收缩水道比直线型收缩水道及折角为直角的折线型收缩水道波能吸收效果好;气流通道的断面面积减小，气室水体振荡减弱，但气室顶部点压力、通道内空气流速增大大，装置波能转换效果增强。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究概况及发展趋势

1．2．1 OWC波能发电装置的应用现状

1．2．2 OWC发电装置的工作原理

1．2．3 防波堤与OWC发电装置相结合的研究进展

1．3 商用CFD软件FLUENT简介

1．4 本文主要研究内容

2 带收缩水道的沉箱防波堤兼OWC发电装置的设计

2．1 沉箱结构设计

2．2 OWC气室能量转换率及考察参量

3 OWC气室工作性能的物模试验研究

3．1 试验设备及模型介绍

3．2 试验模型及仪器工作性能验证

3．3 试验内容及试验工况

3．4 试验结果分析

3．4．1 收缩水道结构对波能转化效果的影响

3．4．2 入射波要素对收缩水道结构型式M1-1的波能转化效果影响

3．4．3 气室形状参数对收缩水道结构型式M1的波能转化效果影响

3．5 小结

4 三维数值波浪水槽的建立

4．1 数学模型

4．1．1 控制方程

4．1．2 湍流模型

4．1．3 边界条件和初始条件

4．2 数值模拟方法

4．2．1 控制方程的离散方法

4．2．2 分离求解方法

4．2．3 VOF模型

4．3 FLUENT水槽造波与消波基本原理

4．4 三维数值波浪水槽的建立与网格的划分

4．4．1 水槽的建立与网格的划分

4．4．2 数值水槽模拟STOKESE二阶波

4．5 小结

5 OWC气室工作性能的数模试验研究

5．1 三维数值模拟试验结果与物理模型试验结果的对比验证

5．2 数值试验结果分析

5．2．1 水道收缩系数对波能转换效果的影响

5．2．2 水道形式对波能转化效果的影响

5．2．3 气流通道断面面积对波能转换效果的影响

5．3 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢