非線性規(guī)則波中波能轉(zhuǎn)換裝置的水動力特征與能量轉(zhuǎn)化效率研究.pdf

1、波浪能作為一種取之不竭的可再生清潔能源，具有密度高和分布面廣等特點。波浪能等可再生能源的開發(fā)和利用將對解決能源危機、環(huán)境污染和氣候變化等問題發(fā)揮巨大的作用。為此，波能轉(zhuǎn)換裝置應運而生。它是一種專門安裝于海洋的吸收波能的裝置，本文專門對該裝置的水動力性能和效率問題進行深入的研究。
　　本文基于完全非線性邊界條件下的勢流理論方法研究波能轉(zhuǎn)換裝置的水動力性能和效率問題?？刂七吔绨ㄎ锩妗⒆杂擅?、遠方控制面和水底，采用邊界元法將全部邊界離

2、散成一系列線性單元。利用非線性自由表面運動學邊界條件追蹤自由液面的位置，利用動力學邊界條件更新自由液面上的速度勢。采用輔助函數(shù)法計算物體表面壓力。為了進行長時間的數(shù)值計算，在遠方控制面附近布置一個波長的阻尼區(qū)域，以消除物體傳向遠方的擾動波以及控制面的反射波。在時域計算過程中，利用四階龍格庫塔法對物體在波浪激勵下的運動和自由表面進行時域步進更新。
　　本文首先研究了二維物體在非線性規(guī)則波中的水動力特征。強迫二維楔形體以兩個自由度(垂

3、向和水平)進行勻速運動，進入一個五階無限水深斯托克斯波中。在空間域內(nèi)采用伸縮坐標系，選取二維物體在物理坐標系下的垂向入水距離為縮放基準，在初始階段采用入射勢和擾動勢分離的處理方法，只對擾動勢進行求解，以避免全部速度勢中的入射勢與初始時刻極小入水距離相除的結(jié)果過大。給出壓力分布的具體結(jié)果，討論重力和波浪效應對壓力分布的影響。描述自由液面的變化，分析自由面變化對壓力分布的影響。
　　以二維物體在規(guī)則波中運動的數(shù)學模型為基礎，本文進一步

4、研究了擺板式波能轉(zhuǎn)換裝置在非線性規(guī)則波中運動的水動力性能，重點分析流體重力、波浪力和自由液面變形對壓力分布特征的影響。當該波能轉(zhuǎn)換裝置在波浪中搖擺時，會發(fā)生砰擊現(xiàn)象，造成物面與自由面交點附近區(qū)域局部壓力過大，同時自由面會發(fā)生翻卷。當形成翻卷射流時，采用區(qū)域分解方法將整個計算域分成兩個子域，第一個子域?qū)聿ú糠?，第二個子域?qū)聿ㄒ酝獾钠溆嗔黧w，兩個子域交界處滿足速度和壓力連續(xù)邊界條件，從而避免了計算域重疊現(xiàn)象。
　　本文重

5、點研究安裝于近海的擺板式波能轉(zhuǎn)換裝置Oyster和Waveroller的效率問題，分別采用完全非線性時域和線性頻域方法建立規(guī)則波與Oyster和Waveroller型波能轉(zhuǎn)換裝置相互作用的數(shù)學模型。采用時域方法時，給出給定非線性規(guī)則波和能量輸出系統(tǒng)條件下波能板的耦合運動方程，對波能板運動和流體力進行解耦，求解波能板運動，并計算波能板所吸收的能量和效率。采用頻域方法時，對流場速度勢進行分解，給出波能板在頻域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)運動方程，在此基礎上推導