振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置水動(dòng)力性能研究

【摘要】：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,全球化石燃料日益枯竭,能源供給日益緊張,推動(dòng)了海洋波浪能轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展。振蕩浮子技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)、能量轉(zhuǎn)化效率相對(duì)較高和頻率響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點(diǎn),極具開(kāi)發(fā)前景。在國(guó)外,一些振蕩浮子式波浪能裝置已接近商業(yè)化,而國(guó)內(nèi)發(fā)展相對(duì)滯后,仍在起步階段。由于國(guó)內(nèi)外海況條件差異巨大,結(jié)合我國(guó)近海波浪周期短,能量密度相對(duì)較低的特點(diǎn),對(duì)振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行系統(tǒng)的自主研發(fā)是必由之路,而水動(dòng)力性能研究是其中的基礎(chǔ)性工作。本論文通過(guò)理論分析、數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)等研究手段,研究了振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的水動(dòng)力性能及其波浪能俘獲特性。 本文首先綜述了波浪能發(fā)電裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì),重點(diǎn)總結(jié)了振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,分析和評(píng)述了現(xiàn)有水動(dòng)力分析模型存在的主要問(wèn)題,并在此基礎(chǔ)上提出了本文的研究?jī)?nèi)容。 根據(jù)振蕩浮子式波浪發(fā)電裝置的特點(diǎn),分別應(yīng)用一階繞射理論和Froude-Krylov理論對(duì)浮子和浮筒進(jìn)行波浪載荷分析；采用特征函數(shù)法和漸進(jìn)匹配系數(shù)法求解一階繞射速度勢(shì),得到了浮體垂蕩和縱蕩的波浪激勵(lì)力、縱搖的波浪激勵(lì)力矩的半解析表達(dá)式,并進(jìn)行了編程求解；基于一階輻射理論推導(dǎo)了等直徑垂直圓柱浮體的垂蕩、縱蕩的附加質(zhì)量系數(shù)和附加阻尼系數(shù)及縱搖的附加慣性矩系數(shù)和附加阻尼力矩系數(shù)的半解析表達(dá)式,并進(jìn)行了編程求解。研究表明：在高頻段,可應(yīng)用于波浪能發(fā)電裝置的水動(dòng)力性能分析；同頻率下充分考慮波浪繞射作用后浮子受到的垂向波浪力比不考慮波浪繞射時(shí)的計(jì)算結(jié)果偏低,更符合實(shí)際情況；同頻率下浮筒受到的垂向波浪力僅有浮子受力的5%,浮筒的垂蕩幅值是浮子垂蕩幅值的1/9～1/7,揭示了振蕩浮子式波浪能裝置的發(fā)電機(jī)理。 以水動(dòng)力分析為基礎(chǔ),建立了浮子與浮筒的頻域耦合運(yùn)動(dòng)方程,獲得了振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù),推導(dǎo)了波浪能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)在規(guī)則波下的俘獲功率和能量俘獲寬度表達(dá)式；通過(guò)頻域模型研究了浮子質(zhì)量、浮筒質(zhì)量、浮子吃水深度、外部阻尼系數(shù)等因素對(duì)能量俘獲寬度的影響。研究表明：浮子與浮筒的質(zhì)量比為0.14時(shí),裝置的能量輸出最大；相同結(jié)構(gòu)尺寸的浮子,吃水淺的浮子俘獲功率和能量俘獲寬度更大；液壓系統(tǒng)阻尼對(duì)能量輸出系統(tǒng)的影響最大,同一裝置在低頻段,系統(tǒng)阻尼越大俘獲能量越多,在高頻段系統(tǒng)阻尼對(duì)俘獲功率的影響相對(duì)較小。 基于上述理論與分析,利用相似準(zhǔn)則,按照10：1的縮尺比設(shè)計(jì)了物理模型,并在航模拖曳水池開(kāi)展了模型試驗(yàn)研究,揭示了發(fā)電系統(tǒng)的阻尼、波浪的波高、周期、浮子與浮筒質(zhì)量比例關(guān)系、浮體的直徑等因素對(duì)裝置水動(dòng)力性能影響規(guī)律；模型試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致,進(jìn)一步驗(yàn)證了理論分析的正確性。 【關(guān)鍵詞】：波浪能轉(zhuǎn)換裝置 水動(dòng)力分析 特征函數(shù)法 漸進(jìn)匹配系數(shù)法 能量俘獲寬度
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM612
【目錄】：

• CONTENTS8-11
• 摘要11-13
• ABSTRACT13-16
• 第一章 緒論16-38
• 1.1 概述16-17
• 1.2 波浪能分布17-19
• 1.2.1 全球波浪能資源分布17-18
• 1.2.2 我國(guó)波浪能分布18-19
• 1.3 振蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-25
• 1.3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀21-24
• 1.3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀24-25
• 1.4 水動(dòng)力分析方法研究現(xiàn)狀25-33
• 1.4.1 波浪載荷計(jì)算理論25-26
• 1.4.2 水動(dòng)力分析解析法26-27
• 1.4.3 水動(dòng)力分析頻域邊界元法27-29
• 1.4.4 水動(dòng)力分析時(shí)域邊界元法29-31
• 1.4.5 水動(dòng)力分析基于N-S方程的計(jì)算方法31-32
• 1.4.6 水動(dòng)力分析方法比較32-33
• 1.5 存在的主要問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)33-35
• 1.5.1 振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置存在的主要問(wèn)題33-34
• 1.5.2 振蕩浮子式波能轉(zhuǎn)換裝置的發(fā)展趨勢(shì)34-35
• 1.6 論文的主要研究?jī)?nèi)容及總體框架35-38
• 1.6.1 課題研究?jī)?nèi)容35-36
• 1.6.2 論文總體框架36-38
• 第二章 運(yùn)動(dòng)模型的建立38-48
• 2.1 概述38
• 2.2 計(jì)算坐標(biāo)系建立38-39
• 2.3 運(yùn)動(dòng)模型的建立39-41
• 2.3.1 基本假設(shè)39-40
• 2.3.2 運(yùn)動(dòng)方程的建立40-41
• 2.4 浮子頻域運(yùn)動(dòng)方程41-43
• 2.5 浮子與浮筒耦合頻域運(yùn)動(dòng)方程43-44
• 2.6 波浪激勵(lì)力和水動(dòng)力系數(shù)44-45
• 2.7 本章小結(jié)45-48
• 第三章 基于繞射理論的波浪載荷分析48-74
• 3.1 概述48
• 3.2 繞射問(wèn)題的理論基礎(chǔ)48-50
• 3.3 速度勢(shì)求解50-61
• 3.3.1 內(nèi)域1中的速度勢(shì)求解51-54
• 3.3.2 外域2中的速度勢(shì)求解54-61
• 3.4 波浪激勵(lì)力和力矩的計(jì)算61-63
• 3.5 關(guān)于方程中待定項(xiàng)的計(jì)算63-66
• 3.5.1 關(guān)于方程k_0、k_q以及Bessel函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)的計(jì)算63-65
• 3.5.2 關(guān)于系數(shù)A和B的求解65-66
• 3.6 浮筒波浪載荷計(jì)算66-70
• 3.6.1 Froude-Krylov理論66-67
• 3.6.2 基于F-K理論的浮筒波浪力計(jì)算67-70
• 3.7 波浪載荷數(shù)值計(jì)算70-72
• 3.8 本章小結(jié)72-74
• 第四章 基于一階輻射理論的水動(dòng)力系數(shù)分析74-90
• 4.1 概述74-75
• 4.2 基本方程75-76
• 4.3 輻射速度勢(shì)的求解76-78
• 4.4 一階輻射力及水動(dòng)力系數(shù)求解78-82
• 4.5 待定系數(shù)求解82-85
• 4.6 水動(dòng)力系數(shù)數(shù)值計(jì)算85-89
• 4.7 本章小結(jié)89-90
• 第五章 基于垂蕩耦合運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力性能數(shù)值研究90-114
• 5.1 概述90
• 5.2 裝置水動(dòng)力性能頻域模型90-93
• 5.2.1 裝置主體參數(shù)90-91
• 5.2.2 浮子與浮筒耦合運(yùn)動(dòng)頻域模型91-93
• 5.3 裝置水動(dòng)力參數(shù)數(shù)值計(jì)算93-100
• 5.3.1 海洋環(huán)境參數(shù)93
• 5.3.2 浮子水動(dòng)力性能分析93-97
• 5.3.3 浮筒水動(dòng)力性能分析97-100
• 5.4 裝置參數(shù)對(duì)水動(dòng)力性能的影響100-111
• 5.4.1 浮子質(zhì)量對(duì)裝置能量俘獲的影響100-104
• 5.4.2 浮子吃水線對(duì)裝置能量俘獲的影響104-108
• 5.4.3 外部阻尼對(duì)裝置能量俘獲的影響108-111
• 5.5 本章小結(jié)111-114
• 第六章 裝置水動(dòng)力性能物理模型試驗(yàn)研究114-142
• 6.1 概述114
• 6.2 相似準(zhǔn)則及坐標(biāo)系114-116
• 6.2.1 相似準(zhǔn)則114-115
• 6.2.2 試驗(yàn)坐標(biāo)系定義115-116
• 6.3 試驗(yàn)裝置及設(shè)備儀器116-119
• 6.3.1 試驗(yàn)水池116-117
• 6.3.2 數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)117-118
• 6.3.3 裝置模型118-119
• 6.4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b119-122
• 6.4.1 模型布置119-120
• 6.4.2 系泊系統(tǒng)連接120-122
• 6.5 試驗(yàn)工況122-125
• 6.5.1 波浪條件122-124
• 6.5.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)條件124-125
• 6.6 試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析125-139
• 6.6.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集125-126
• 6.6.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析126-139
• 6.7 本章小結(jié)139-142
• 第七章 結(jié)論與展望142-146
• 7.1 研究?jī)?nèi)容及結(jié)論142-144
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)144
• 7.3 研究展望144-146
• 參考文獻(xiàn)146-154
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的學(xué)術(shù)成果154-156
• 致謝156-158
• 附表158

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波浪能發(fā)電裝置的研究    岳文艷;張友恒;

21世紀(jì)的新能源——海洋能    周善元

立足靜水層利用離岸波浪能發(fā)電的方法    陳傳文;

海洋波浪能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀與前景    游亞戈;盛松偉;吳必軍;

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對(duì)擺式波能發(fā)電裝置與波浪耦合作用數(shù)值模擬    田育豐;黃焱;史慶增;

低水頭水輪機(jī)性能的試驗(yàn)研究    史宏達(dá);王智強(qiáng);劉婭君;

波浪能技術(shù)發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀    李永國(guó);陳成明;

我國(guó)海洋波浪能技術(shù)發(fā)展建議    游亞戈;吳必軍;盛松偉;馮波;張亞群;王坤林;

波浪能發(fā)電“很潮”“很給力”    見(jiàn)習(xí)記者 丁樂(lè)平　記者 汪堅(jiān)

利用波浪能發(fā)電    張蕊

波浪能發(fā)電前景廣闊    盛長(zhǎng)峰

浪打打太陽(yáng)曬曬,來(lái)電了    陳葉綠　陳小敏

英國(guó)未來(lái)20年的六大技術(shù)前瞻領(lǐng)域    侯國(guó)清

世界首座波浪能電站有望年底投產(chǎn)    本報(bào)記者 陳萌

汕尾將建世界首座波浪能電站    

中山海洋經(jīng)濟(jì)揚(yáng)威海博會(huì)    記者 賴有生 通訊員 梁錦秋

海洋——人類未來(lái)的能源庫(kù)    張秋旭

ABB集團(tuán)：“追風(fēng)逐浪”投資可再生能源    本報(bào)記者 陳頤

浮力擺式波浪能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究    張大海

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小型波浪能發(fā)電裝置及其電能管理系統(tǒng)的研究    袁曉東

小型波浪能發(fā)電裝置的電能變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究    賈紅杰

一種波浪壓電發(fā)電裝置的研究    熊葉勝

振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置浮子的水動(dòng)力學(xué)仿真    孫玉健

振蕩浮子式波浪能采集系統(tǒng)的仿真及實(shí)驗(yàn)研究    劉莎莎

波浪與擺式發(fā)電裝置相互作用的數(shù)值模擬研究    田育豐