摆板式波浪能利用装置的动力特性模拟研究

摘要

目前随着人口增加，能源消耗量的上升，石油、天然气等常规能源的消耗殆尽以及环境污染的日益严重，人们不得不开始关注新的能源形式，这种能源形式的开发利用必须是符合环境友好、经济可行的可再生能源以及可持续发展的理念。波浪能作为取之不尽、用之不竭的清洁、可再生能源之一。对波浪能进行大规模的开发和利用，可以缓解常规能源的短缺问题同时也可以降低温室气体的排放。相信波浪能转换技术将在未来的能源市场中将发挥至关重要的作用。
　　在丰富的可再生能源太阳能、风能、生物质能、波浪能中，就只波浪能一种能源的总功率值就能达2×108kW。而我国在近20kM的海岸线，中也蕴藏着了1599.52×104kW的波浪能。在不同的波浪能利用技术当中，本论文选取摆板式波浪能利用装置进行研究。摆板式波浪能利用装置就是通过摆板与波浪的相互作用，从而使得摆板左右摆动，从而将波浪能转换为摆板的动能，从而达到将波浪能进行利用的效果。
　　通过分析摆板式波浪能利用装置的原理和系统组成，可知摆板式波浪能利用装置的关键技术在于对摆板的动力特性分析。本文通过数值模拟的方法对摆板与波浪的流固耦合进行计算分析。
　　为了能都精确地模拟出摆板在波浪中的动力特性，必须先做出数值水槽，即对波浪运动进行精确的模拟。本文是基于Flow3D建立数值水槽。通过速度入口造波法和变换空间步长消波法，成功构建了二维和三维数值波浪水槽，并模拟得到斯托克斯波。
　　在三维波浪数值水槽中，对密度分别为650kG/m3、700kG/m3、750kG/m3的摆板与波高为0.7m和0.5m的波浪进行数值模拟，分析摆板的动力特性变化。随着摆板密度的增加，摆板角速度减小，摆板运动力矩增加，摆板所捕获的波浪能效率也增大。
　　研究在波浪波高为h=0.5m时，不同宽度摆板波浪相互作用后的动力特性变化。随着摆板宽度的增加，摆板的摆动角度相差不大，而摆板摆动力矩增加。摆板的功率也增加。在不同高度的摆板和波浪相互作用的动力特性研究中，随着摆板高度的增加，摆板的转动角度和角速度都减小。板高为3.5m的摆板捕获波浪能的平均功率达到最大值1.23kW，板高为3.5m时为最佳高度。并且分析了摆板在受到不同弹性系数的情况下所受到的负载力的变化。
　　对摆板捕获波浪能的效率，即摆板所受的波浪能对摆轴做的功与波浪能的比值进行研究。分别得到了摆板在不同密度、板宽下波浪能的转换效率。