非線性規(guī)則波中波能轉(zhuǎn)換裝置的水動(dòng)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(diǎn)。波浪能等可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用將對(duì)解決能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化等問(wèn)題發(fā)揮巨大的作用。為此，波能轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)運(yùn)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(duì)該裝置的水動(dòng)力性能和效率問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。
　　本文基于完全非線性邊界條件下的勢(shì)流理論方法研究波能轉(zhuǎn)換裝置的水動(dòng)力性能和效率問(wèn)題?？刂七吔绨ㄎ锩?、自由面、遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件追蹤自由液面的位置，利用動(dòng)力學(xué)邊界條件更新自由液面上的速度勢(shì)。采用輔助函數(shù)法計(jì)算物體表面壓力。為了進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)值計(jì)算，在遠(yuǎn)方控制面附近布置一個(gè)波長(zhǎng)的阻尼區(qū)域，以消除物體傳向遠(yuǎn)方的擾動(dòng)波以及控制面的反射波。在時(shí)域計(jì)算過(guò)程中，利用四階龍格庫(kù)塔法對(duì)物體在波浪激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)和自由表面進(jìn)行時(shí)域步進(jìn)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(dòng)力特征。強(qiáng)迫二維楔形體以兩個(gè)自由度(垂

3、向和水平)進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入一個(gè)五階無(wú)限水深斯托克斯波中。在空間域內(nèi)采用伸縮坐標(biāo)系，選取二維物體在物理坐標(biāo)系下的垂向入水距離為縮放基準(zhǔn)，在初始階段采用入射勢(shì)和擾動(dòng)勢(shì)分離的處理方法，只對(duì)擾動(dòng)勢(shì)進(jìn)行求解，以避免全部速度勢(shì)中的入射勢(shì)與初始時(shí)刻極小入水距離相除的結(jié)果過(guò)大。給出壓力分布的具體結(jié)果，討論重力和波浪效應(yīng)對(duì)壓力分布的影響。描述自由液面的變化，分析自由面變化對(duì)壓力分布的影響。
　　以二維物體在規(guī)則波中運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，本文進(jìn)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(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力性能，重點(diǎn)分析流體重力、波浪力和自由液面變形對(duì)壓力分布特征的影響。當(dāng)該波能轉(zhuǎn)換裝置在波浪中搖擺時(shí)，會(huì)發(fā)生砰擊現(xiàn)象，造成物面與自由面交點(diǎn)附近區(qū)域局部壓力過(guò)大，同時(shí)自由面會(huì)發(fā)生翻卷。當(dāng)形成翻卷射流時(shí)，采用區(qū)域分解方法將整個(gè)計(jì)算域分成兩個(gè)子域，第一個(gè)子域?qū)?yīng)翻卷波部分，第二個(gè)子域?qū)?yīng)除翻卷波以外的其余流體，兩個(gè)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(jì)算域重疊現(xiàn)象。
　　本文重

5、點(diǎn)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(wèn)題，分別采用完全非線性時(shí)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(xué)模型。采用時(shí)域方法時(shí)，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(yùn)動(dòng)方程，對(duì)波能板運(yùn)動(dòng)和流體力進(jìn)行解耦，求解波能板運(yùn)動(dòng)，并計(jì)算波能板所吸收的能量和效率。采用頻域方法時(shí)，對(duì)流場(chǎng)速度勢(shì)進(jìn)行分解，給出波能板在頻域內(nèi)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)動(dòng)方程，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)