离岸式振荡水柱波浪能采集气室仿真分析与优化

摘要

波浪能作为一种储量大且分布广泛的清洁能源具有较高的开发价值，利用波能转换装置可将波浪能转换为电能等其他形式的能量。与其它波能转换装置相比，振荡水柱(OWC)波能转换器应用较为广泛，研究振荡水柱气室结构类型和尺寸参数对波浪能转换效率有重要意义。本文采用计算流体动力学分析（CFD）技术研究离岸式振荡水柱波能转换装置的结构与参数优化问题，通过对不同网格划分方式及气室仿真方法进行整合与优化，阐明振荡水柱气室参数CFD分析过程及方法。利用ICEM CFD软件实现结构化网格或混合网格划分，借助于FLUENT软件的VOF模型、动网格、多孔介质及其户自定义函数（UDF）等功能并结合消波技术分别选用明渠造波法、水质点造波法和推板造波法创建二维、三维数值波浪水槽，将以推板造波法创建的水槽应用于振荡水柱气室仿真研究。通过模拟不同周期的线性波，对二维离岸式OWC气室的前墙入水深度、宽度以及气室宽度进行优化分析；以二维分析结果为基础，在三维模式下对离岸式振荡水柱气室的高度和出气孔大小进行优化分析；根据最优结果确定单气室模型尺寸，将若干个气室串联得到双气室串联模型和三气室串联模型，通过分析各气室内液面高和压强并借助于速度矢量云图和体积分数云图判断波浪与气室的效应关系。
　　结果表明：利用FLUENT软件建立具有造波功能和消波功能的数值波浪水槽可用于振荡水柱气室参数优化问题；离岸式振荡水柱气室在发生共振时(3.75 s≤T≤4.25s)转换效率最高，气室内液面升降幅度随着波能转换装置的前墙入水深度、厚度以及气室宽度的减小而产生较明显的增大；相对于前墙尺寸，气室宽度对波能转换装置的能量转换功率影响较大；离岸式气室的串联能够提高对波浪能的采集效率，先与波浪发生作用的气室其内部水柱振荡幅度和内部压强要大于后与波浪发生作用的气室；合理的尺寸设置能够使 U形振荡水柱气室内形成“一升一落”的水柱振荡，驱动气室内气柱压强形成“一正一负”的规律， U形气室的左气室与右气室之间相对压强将明显增大。

目录

声明

主要符号对照表

1 绪论

1.1 背景及意义

1.2 波浪能转换装置类型

1.3 数值波浪水槽研究现状及其应用

1.4 振荡水柱气室研究现状

1.5 本文主要内容

2 数值模拟方法

2.1 网格划分方法

2.2 FLUENT软件

2.3 数学模型

2.4 边界条件

2.5 分离式解法

2.6 本章小结

3 数值波浪水槽

3.1 波浪理论基础

3.2 消波技术

3.3 基于明渠造波法创建数值波浪水槽

3.4 基于水质点造波法创建数值波浪水槽

3.5 基于推板造波法创建数值波浪水槽

3.6 造波方法及消波方法的对比分析

3.7 本章小结

4 二维离岸式振荡水柱气室仿真分析

4.1 二维气室的建模与网格划分

4.2 二维气室仿真设置

4.3 二维气室主要参数仿真分析

4.4 本章小结

5 三维离岸式振荡水柱气室仿真分析

5.1 三维单气室情形的仿真分析

5.2 三维多气室情形仿真分析

5.3 三维U形振荡水柱气室仿真分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间主要成果

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