基于数值水槽的水平轴波浪能发电装置流固耦合分析

摘要

随着化石能源的枯竭和各种环境问题越来越严重，清洁能源受到世界各国越来越多的关注，波浪能作为非常有潜力的清洁能源之一，对于解决化石能源带来的各种问题，具有重要的意义。本论文旨在研究基于实际海况的水平轴波浪能发电装置的波浪能捕获效率和两次冲击过程中的装置结构可靠性。
　　本文首先介绍发电装置的类型和工作原理，以及国内外的研究现状，并对水平轴波浪能发电装置的核心部件水轮机转子进行详细的描述。介绍数值水槽的主要模型以及边界条件和控制方程等，介绍数值造波过程中的自由液面边界条件和波浪的模型，以及自由液面监测的相关方法和各自的优势。
　　其次，使用Fluent软件建立数值水槽，对水槽进行离散，通过对水槽中的波浪建立时间单位的监测和长度单位的监测，确定波浪随着水槽长度变化的衰减从而确定水平轴波浪能发电装置的布放位置，通过对阻尼区波高的监测，研究阻尼系数对于消波的影响，从而确定数值水槽合理的阻尼常数。
　　然后建立包含水轮机转子和流道的水平轴波浪能发电装置的二维模型，将装置布放在数值水槽中，介绍数值仿真所需要的运动模型和交界面设置。对模型的转速和扭矩数据进行提取，通过Savitzky-Golay滤波方式对数据进行平滑处理，通过仿真的云图和扭矩曲线解释水平轴波浪能发电装置在两次冲击过程的特点。建立渐开线式和双圆弧式的水平轴波浪能发电装置，对不同线型的装置的扭矩和波浪能捕获效率进行对比，从而发现最优的水轮机线型。研究表明，渐开线式的水轮机的波能捕获效率更高。装置的淹没水深是另一个影响波浪能捕获效率的重要因素，通过建立不同淹没水深的渐开线式水轮机装置模型，对装置最优的淹没水深进行分析与研究，从而确定装置的最优淹没水深。
　　最后，建立水平轴波浪能发电装置的三维模型，对模型进行网格划分和边界条件设置，在流体仿真的基础上，建立流固耦合面，将流体仿真的压力数据导入到三维模型中，对相应的部位进行施加，得到水轮机两次冲击时装置的变形量和应力云图，从而验证装置在波浪作用下的可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．研究背景

1．2．波浪能利用装置分类

1．2．1．振荡水柱式波浪能发电装置

1．2．2．振荡浮子式波浪能发电装置

1．2．3 聚波蓄能式波浪能发电装置

1．3．双击式水轮机的发展

1．3．1．国外水轮机研究现状

1．3．2．国内水轮机研究现状

1．4．研究的目的与意义

1．5．课题研究内容

第2章 数值水槽理论模型

2．1．数值水糟模型研究

2．2．1．边界元法造波模型

2．1．2．有限体积法造波模型

2．2．自由液面边界条件

2．2．1．线性波理论

2．2．2．Stokes波理论

2．3．自由液面监测方式

2．3．1．高度函数法

2．3．2．连续线段法

2．3．3．标记颗粒法

2．3．4．VOF方法

本章小结

第3章 数值水槽仿真模拟

3．1．数值水槽的波浪模拟

3．1．1．数值水檀建立和离散

3．1．2．数值仿真求解器设置

3．2．数值水槽数据处理

3．2．1．波浪的监测

3．2．2．水轮机位置的研究

3．3．数值水槽的优化

3．3．1．阻尼区波浪超高

3．3．2．阻尼区消波优化

本章小结

第4章 水轮机装置的优化设计

4．1．双击式水轮机的特点

4．2．水轮机转子模型的建立和离散

4．2．1．渐开线式水轮机

4．2．2．双圆弧式水轮机

4．3．水轮机数值模拟

4．3．1．水轮机运动模型选择

4．3．2．水轮机数值仿真交界面设置

4．4．水轮机数据分析

4．4．2．Savitzky-Golay滤波应用

4．4．3．水轮机冲击原理

4．4．4．转子线型的对比优化

4．4．5．装置淹没水深的研究

本章小结

第5章 水平轴波浪能发电装置流固耦合分析

5．1．流固耦合的基础

5．1．1．流固栩合控制方程

5．1．2．流固耦合方式的选择

5．2．水轮机结构分析

5．2．1．模型的建立和离散

5．2．2．模型静力学结构分析

本章小结

第6章 总结与展望

6．1．结论

6．2．展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢