岸式振荡水柱波能发电装置的试验及数值模拟研究

摘要

岸式振荡水柱波能发电装置是目前世界上应用最为广泛的波能转换利用装置。对该类波能转换装置的全面深入研究，可为开发设计更为高效的波能转换与利用装置提供指导，对解决日益严峻的能源和环境问题具有重要意义。本文以岸式振荡水柱波能发电装置的实用化开发为背景，采用物理模型试验和数值模拟相结合的方法对该类波能发电装置进行了系统的研究。 对气室结构的物理模型试验研究，发现了气室内自由水面振荡波幅、相对压强及输气管内空气流速与入射波要素的变化关系，考察了气室宽度、前墙吃水深度、前墙厚度、底坡坡角及气室项部开口形式在不同的波周期区对气室波能俘获能力的影响，在此基础上遴选出影响气室工作性能的主要参量，并建议根据不同气室结构和参量选择二、三维数值计算模式。 本研究构建了基于水气两相VOF模型的二、三维数值波浪水槽，采用PLIC法进行自由水面追踪方法有效可靠，波浪周期、波长及波高等参量的计算值与理论解析解基本一致。 气室结构的二维数值模拟发现，相对波幅会在入射波周期范围内形成三个具有不同分布特征的区域：短周期区，峰值区及长周期区。气室宽度较小时，气室墙前水深、气室前墙吃水深度、气室前墙厚度及海底坡角对气室性能具有一定的影响；气室宽度较大时，相对波幅在入射波周期范围内不存在峰值区，且上述各参量对气室波能俘获能力的影响则较小。 与二维计算及试验结果相比，三维数值波浪水槽能够更为准确地预测气室内相对波幅、相对压强及输气管内流速。气室宽度、气室长度及输气管管径对气室工作性能的影响较大，输气管管长及其装配位置对气室波能转换效率的影响则较小。波浪聚集装置能够在长周期区提高气室-输气管系统的工作性能，多孔介质模型可模拟空气透平对气室-输气管系统的压降作用及其对输气管内流量变化的影响。 本文建立了基于多重参考系模型冲击式透平的三维数值模拟方法，确定了计算中应采用的湍流计算模型，网格类型与网格数范围。与试验结果的比较表明，三维数值模拟对透平工作性能的计算结果优于二维模式。本研究通过数值模拟得到了透平内空气流场及动叶片表面压力分布规律，给出了动叶片数，透平径间比，动叶片入射角，动叶片装置角，透平轮毂比及动叶片外径间隙的最佳设计值，提出了在动叶片顶端安装环形盖板及设置动叶片弯扭角的优化方案。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号表

声明

第一章前言

1.1研究背景

1.1.1能源危机

1.1.2可再生能源

1.1.3海洋能

1.1.4中国海洋能及利用现状

1.1.5波浪能优点及其利用技术

1.1.6中国开发波力发电的必要性

1.2波力发电的应用现状

1.2.1典型波力发电装置的应用现状

1.2.2振荡水柱式发电装置的应用现状

1.3岸式振荡水柱式发电装置工作原理

1.3.1波力发电装置的工程性困难

1.3.2岸式振荡水柱式发电装置的工作原理

1.3.3发展前景与关键技术

1.4岸式振荡水柱波力电站气室的研究现状

1.4.1气室的理论计算

1.4.2气室的试验研究

1.4.3气室的数值模拟研究

1.5岸式振荡水柱波力电站空气透平的研究现状

1.5.1威尔斯式透平

1.5.2冲击式透平

1.6数值波浪水槽(池)的研究现状

1.6.1基本方程

1.6.2数值方法

1.6.3数值造波

1.6.4无反射开边界

1.6.5自由表面追踪技术

1.7本文的主要研究内容和目标

第二章气室工作性能的试验研究

2.1概述

2.2试验设计

2.2.1试验设备与模型设计

2.2.2试验内容与工况组合

2.2.3试验方法

2.3试验结果

2.3.1气室试验结果的时程曲线

2.3.2无输气管气室的工作性能分析

2.3.3输气管-气室系统的工作性能分析

2.4小结

第三章数值模拟方法

3.1概述

3.2基本控制方程

3.3湍流模型

3.3.1标准k-ε模型

3.3.2RNG k-ε模型

3.3.3切应力输运k-ω模型

3.3.4雷诺应力方程模型

3.4 VOF模型

3.5数值方法

3.5.1有限体积法

3.5.2数值离散格式

3.6边界条件

3.7计算网格

3.8小结

第四章二、三维数值波浪水槽的建立

4.1概述

4.2控制方程与数值方法

4.3自由水面追踪方法的计算验证

4.3.1平底方溃坝问题

4.3.2直堰顶越流问题

4.4二维数值波浪水槽的构建

4.4.1二维数值波浪水槽的建立

4.4.2二维数值波浪水槽的验证

4.5三维数值波浪水槽的构建

4.6波浪与岸式结构物相互作用的计算验证

4.7小结

第五章气室工作性能的二维数值模拟研究

5.1概述

5.2 OWC气室数值计算的对比验证

5.3波浪要素对气室工作性能的影响

5.3.1波浪要素对气室内波面运动的影响

5.3.2波浪要素对气室内水面振荡波幅的影响

5.4气室形状参量对其工作性能的影响

5.4.1气室墙前平均水深对室内相对波幅的影响

5.4.2气室前墙厚度对室内相对波幅的影响

5.4.3气室前墙吃水深度对室内相对波幅的影响

5.4.4气室宽度对室内相对波幅的影响

5.5海岸地形对气室工作性能的影响

5.6小结

第六章气室工作性能的三维数值模拟研究

6.1概述

6.2 OWC气室三维数值模拟的试验验证

6.3 OWC气室三维数值模拟的理论计算验证

6.4气室结构对其工作性能的影响

6.4.1气室静水面上高度对其工作性能的影响

6.4.2气室宽度与长度对其工作性能的影响

6.5输气管参量对气室工作性能的影响

6.5.1输气管管径对气室工作性能的影响

6.5.2输气管管长对气室工作性能的影响

6.5.3输气管装配位置对气室工作性能的影响

6.6波浪聚集装置对气室工作性能的影响

6.7空气透平与气室—输气管系统的相互作用

6.8小结

第七章冲击式透平工作性能的数值模拟研究

7.1概述

7.2装配固定式导流叶片的冲击式透平

7.3冲击式透平工作性能的评价参量

7.4冲击式透平数值模拟方法的研究

7.4.1数值模拟的基本方法

7.4.2二、三维模型的比较计算

7.4.3湍流模型的比较计算

7.4.4网格类型与网格数的比较计算

7.4.5不同雷诺数的比较计算

7.5冲击式透平工作性能的数值模拟研究

7.5.1动叶片数对透平工作性能的影响

7.5.2透平径间比对其工作性能的影响

7.5.3动叶片入射角对透平工作性能的影响

7.5.4轮毂比对透平工作性能的影响

7.5.5外径间隙比对透平工作性能的影响

7.6冲击式透平的优化设计研究

7.6.1动叶片弯扭角对透平工作性能的影响

7.6.2动叶片环式盖板对透平工作性能的影响

7.7小结

第八章结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文