新型浮子式波浪能发电装置水动力性能研究

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随着世界经济的不断发展,传统能源日益匮乏,人类逐渐将目光投放至广阔的海洋能领域。振荡浮子式波浪能发电装置发电效率高且布置灵活,是海洋能发电装置研究的热点之一。本文提出一种新型浮子式波浪能发电装置,完成装置的结构设计,并建立其运动响应的数值模型,从理论分析和数值模拟两方面对其进行水动力性能的研究。主要研究内容如下:(1)新型浮子式波浪能发电装置的设计与理论分析。本文提出了一种新型浮子式波浪能发电装置,详细地分析了新型浮子式波浪能发电装置的设计原理、结构组成和能量转换机理,对装置运动学特性和动力学特性进行了数学建模和理论研究。(2)波浪参数对发电装置水动力特性影响的研究。采用非稳态RANS计算流体力学研究方法,基于STAR-CCM+的边界造波法以及阻尼消波法建立数值水池,进行造波并与理论值对比,验证数值水池造波的准确性;研究在不同周期及不同波高的波浪环境下,装置运动响应、受力及输出功率等参数规律。发现适当地调整波浪周期和波高能够有利于增加装置输出功率,但在实际应用中,并不能无限制减小波浪周期,这会使装置过快地运动,容易造成能量冲击和浪费,不能将波高无限制增大,这会造成波陡过陡,引起上浪现象。(3)结构参数对发电装置水动力特性影响的研究。研究在同一种输入的波浪条件、不同结构参数下,装置运动响应及输出功率等参数规律。考虑到装置在波浪作用下,会产生其它自由度的运动,阻尼板的存在会改变浮子所在的流场,从而增加装置的稳定性,因此开展对装置是否加装阻尼板的运行情况的研究;针对改变不同数量的旋转叶片的装置性能研究。结果表明,适当增加叶片数目,可以使涡扇产生更大的旋转力矩,综合装置成本、涡扇运行情况及发电效率来看,五叶涡扇整体性能较优。(4)阵列式发电装置水动力特性的数值模拟研究。探究多个装置的布置方式对阵列影响因子、装置运行特性和输出功率的影响,并由此提出对装置阵列布置构型的建议。不同阵型的装置波浪能输出功率随波浪周期变化有波动性,其中每个阵型迎浪端前面的浮子波动性更为显著,后面的浮子波动性较弱。三种阵型间距一定的情况下,三角阵型布置的装置整体性能优于其他两种阵列方式,总体上通过合理布置发电装置可以提高整体能量转化效率。
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