搖臂式波浪發(fā)電實驗平臺浮子的水動力分析

李德堂 張偉 蔣志勇 謝永和

摘 要：為進一步提高波浪能發(fā)電裝置的捕獲效率，本文創(chuàng)新設(shè)計了一種搖臂式波能發(fā)電裝置。該裝置的核心是依靠浮子的垂蕩和縱蕩捕獲波浪能，將波浪能轉(zhuǎn)換為浮子的機械能，由于能量的第一級轉(zhuǎn)換對發(fā)電裝置的能量轉(zhuǎn)換效率有重要影響，而浮子的形狀是影響浮子捕獲波能效率的重要因素，因此，對波浪及浮子進行水動力理論分析，并建立了浮體的運動方程。設(shè)計了6種不同形狀的浮子，采用SESAM軟件系統(tǒng)的Patran-pre模型對6種常見的典型浮子形狀建立水動力模型并進行仿真分析，研究不同形狀下的受力特點，從而確定浮子的最佳形狀，對該形狀的浮子進一步分析，確定最佳吃水深度。

關(guān)鍵詞：波浪能;浮子形狀;SESAM仿真分析;能量捕獲效率

中圖分類號：TM612;P743.2文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）32-0134-04

Hydrodynamic Analysis of the Floating Platform for Rocker Arm

Wave Power Generation Experiment Platform

LI Detang1 ZHANG Wei2 JIANG Zhiyong1 XIE Yonghe3

（1. Marine Equipment and Technology Institute， Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang Jiangsu 212003;2.College of Mechanical and Electrical Engineering， Shandong Architectural University，Jin，an Shandong 250101;3.Zhejiang Ocean University，Zhoushan Zhejiang 316022）

Abstract：In order to further improve the capture efficiency of wave power generation device， this paper innovatively designed a rocker-arm wave power generation device. The core of the device was to capture the wave energy by the sag and surge of the float and convert the wave energy into the mechanical energy of the float. Because the first stage of energy conversion had an important influence on the energy conversion efficiency of the power generation device， and the shape of the float was an important factor affecting the wave energy efficiency of the float. Therefore， the wave and the float were carried out. The hydrodynamic theory was analyzed and the motion equation of the floating body was established. Six kinds of floats with different shapes were designed. Patran-pre model of SESAM software system was used to establish hydrodynamic models for six typical float shapes and simulate them. The force characteristics under different shapes were studied to determine the optimum shape of the float. The float of this shape was further analyzed to determine the optimum draft depth.

Keywords：wave energy;float shape;SESAM simulation analysis;energy capture efficiency improvement

1 研究背景

從理論上來說，海洋中蘊含的能量足以滿足全球的電力需求。其中，波浪能儲量最大，發(fā)電量可達700億kW，開發(fā)前景廣闊。因此，在世界能源發(fā)展戰(zhàn)略調(diào)整之際，立足我國國情，緊跟國際能源技術(shù)革命新趨勢，通過海洋新能源技術(shù)創(chuàng)新示范應(yīng)用，推動能源生產(chǎn)和利用方式的變革尤為必要。目前，石化能源的大量使用使二氧化碳排放過量，帶來了“溫室效應(yīng)”，嚴重威脅人類社會的可持續(xù)發(fā)展[1，2]。建立以清潔、可再生能源為主的能源結(jié)構(gòu)，逐漸取代以化石能源為主的能源架構(gòu)，關(guān)系著人類的生存和未來[3，4]。

可再生能源儲量豐富，具有可再生性且分布廣泛的特點，便于實現(xiàn)小規(guī)模的分散利用[5，6]，是實現(xiàn)人類社會可持續(xù)發(fā)展目標的必要條件[7]。但是，可再生能源同時具有能量波動性大、開發(fā)利用成本較高的特點，在一定程度上制約其自身的快速發(fā)展[8]。

占地球表面約71%的海洋儲藏著巨大的能源[9]，包括波浪能等大量的可再生資源。通過研發(fā)不同的裝置實現(xiàn)海洋能源的開發(fā)和利用，有利于實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

2 波浪及浮子形狀水動力理論分析

2.1 線性隨機波浪理論

線性隨機波浪理論假定波浪是有多個波系疊加而相互不引起干擾，即在一般情況下，波浪視為由無限多個頻率不等、方向不同、振幅變化而相互雜亂的微幅簡諧波疊加而成的不規(guī)則波系，對于空間[x，y]處、時間t時的波面位移[ζ]為：

[ζx，y，z=i=1∞j=1∞aijcoskixcosθj+ysinθj-ωi+εij]（1）

各波浪的平均能量是與其振幅的平方成正比的，故這種譜密度稱為能量譜。

2.2 P-M譜

Pierson和Moskowitz提出了一種新的能量譜形式，該譜的表達如式（2）所示：

[Sω=αg2ω-5exp-βgUω40≤ω<+∞]? ? ?（2）

式中，[α=0.008 1]和[β=0.74]為兩個常數(shù);U為平靜海面上空19.5m處的風速。

2.3 浮體運動方程的建立

浮子在波浪上的運動是以剛體在無限介質(zhì)中的運動為基礎(chǔ)的，運用質(zhì)心運動定理和繞質(zhì)心的動量矩定理可得：

[dGdt=FdQdt=M]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[G]為剛體運動的動量;[Q]為繞質(zhì)心的動量矩;[F]和[M]分別為外力矢量和繞質(zhì)心的外力矢量。

浮體在波浪上搖蕩運動時，考慮與其搖蕩運動相關(guān)的流體作用力時，若假設(shè)流場中壓力p為已知，則作用于浮體的外力（[Fi]）和外力矩（[Mi]）分別為：

[Fi=Spnids? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? i=1，2，3Mi=Spni+3ds? ?]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[ni]為廣義法線矢量的分量;S為物體的瞬時濕表面。船舶的運動方程可記為：

[mijx0j=sopnidS? ?i，j=1，2，…，6]? ? ? ? ? ? ? ?（5）

進一步處理式（5），引入表達式（6）和式（7）：

[x0j=x0，y0，Z0，α，β，γ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

[mijx0j=sopnidS? ?i，j=1，2，…，6]? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

得到到浮體的運動方程為：

[mij+μijx0j+λijx0j+Cijx0j=Fkwi+Fdwii、j=1，2，…，6]（8）

式中，[mij]為船體質(zhì)量;[μij]附加質(zhì)量;[λij]為阻尼系數(shù);[Cij]為恢復力系數(shù);[Fkwi]為佛汝德-克雷洛夫力;[Fdwi]為波浪繞射力。

3 不同形狀浮子水動力分析

3.1 不同形狀浮子

對目前幾種常見的典型形狀浮子的水動力性能進行分析，采用SESAM軟件系統(tǒng)的Patran-pre模塊建立水動力模型，網(wǎng)格尺寸大小基本相等。形狀如圖1所示。形狀參數(shù)見表1。

3.2 相同排水體積下不同形狀浮子水動力分析

波浪振幅為1m，計算波頻為[ω]為0.1～5rad/s，海水密度[ρ]=1025kg/m3，分別計算6種形狀浮子在相同排水體積下的水動力性能。計算工況見表2。

3.3 相同浸沒深度下不同形狀浮子水動力分析

同樣波浪振幅為1m，計算波頻為[ω]為0.1～5rad/s，海水密度[ρ]=1 025kg/m，重力加速度g=9.8N/kg，分別計算6種形狀浮子在相同浸沒深度下的水動力性能。計算得到6種形狀浮子垂蕩、縱蕩運動、水平力、垂向力的響應(yīng)傳遞函數(shù)見圖2至圖5。

從圖2可知，結(jié)構(gòu)④的垂蕩運動幅值隨波浪頻率增加而緩慢減小;當波浪頻率接近某一頻率值時，結(jié)構(gòu)①②⑤⑥垂蕩運動幅值存在明顯的突變，說明此時產(chǎn)生共振;6種結(jié)構(gòu)的垂蕩運動峰值大小關(guān)系為①>②>⑤>⑥>③>④;在波浪頻率較小時（小于1.5rad/s），6種結(jié)構(gòu)的垂蕩運動幅值相差不大。

從圖3可知，除結(jié)構(gòu)③外，其余5種結(jié)構(gòu)的縱蕩運動幅值隨波浪頻率的增加出現(xiàn)突增和突減現(xiàn)象;在波浪頻率較小時，6種結(jié)構(gòu)的縱蕩運動幅值相差不大;結(jié)構(gòu)③的縱蕩運動幅值隨波浪頻率增加而逐漸減小。

從圖4可知，6種結(jié)構(gòu)的水平力隨波浪頻率增加而先增加后減小;水平力響應(yīng)峰值的大小關(guān)系為②>①>⑥>⑤>③>④。

從圖5可知，6種結(jié)構(gòu)的垂向力均隨波浪頻率的增加而減小;波浪頻率較低時，6種結(jié)構(gòu)的垂向力響應(yīng)值大小關(guān)系為②>⑥>①>③>⑤>④;當波浪頻率較高時，6種結(jié)構(gòu)的垂向力響應(yīng)值大小關(guān)系變?yōu)棰?⑥>④>⑤>①>②。

4 結(jié)論

本文主要對波浪發(fā)電平臺浮子水動力特性進行理論分析，并根據(jù)實驗波況信息，利用仿真軟件對浮子的形狀及初始吃水深度進行分析，確定了浮子的最佳形狀為下部水淹沒部分為球面，上部為柱體，并確定了基本尺寸和浮子的吃水深度，為搖臂式波浪發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了參考。

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