摆式波能转换装置水动力分析模型.pdf

第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集 653 摆式波能转换装置的水动力分析模型* 滕 斌，陈 文 （大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024 ） 摘要：基于势流理论分别建立了波浪与摆式波能转换装置作用的频域和时域分析模型，用于求解摆板运动过程、摆板表面 压力、活塞作用力和俘获的能量。对于线性活塞模型和小振幅运动假设，开展了时域模型和频域模型的对比计算，验证了模 型的一致性和正确性。应用频域模型，开展了活塞阻尼和波浪频率对俘获能量影响的系统研究，给出了转换装置的最佳阻尼 和频率范围。对于非线性活塞模型，采用时域模型做了计算分析，给出了摆板运动响应、活塞作用力和俘获能量的时间历程 及与波高的关系。 关键词：波能转换装置；摆式；水动力分析；数值模型 1 引言 [1] 随着世界能源日趋紧张，海洋能的利用 逐渐受到各国重视，波能作为一种绿色、可再生的新能源具 有非常广阔的发展空间。目前，许多波能转换装置[2]-[4]相继开发出来，效率较高的装置类型主要有鸭式、 振荡水柱式、振荡浮子式、摆式等。其中，摆式波能转换装置具有频率响应范围宽、可靠性好、常海况条 件转换效率高、建造成本相对较低等许多优点。芬兰 AW-Energy 公司开发的 WaveRoller 式装置[5][6]和英国 AquamarinePower 公司与女王大学共同研发的 Oyster 式装置[7]-[9]为常见的两种摆式波能转换装置形式，如 图 1、图2 所示。这类摆式装置主要由摆板、转轴、传动系统部分组成，利用垂直于摆板方向的波浪作用， 摆板绕摆轴前后摆动带动传动系统的活塞杆运动，进而将摆板俘获的波能转换为传动系统的机械能，最终 通过其它装置将机械能转换为电能。 图 1 WaveRoller 式 图2 Oyster 式 对于线性和非线性的传动系统，本文分别建立了波浪与摆式波能转换装置相互作用的频域和时域分析 模型，可用于分析摆式波能转换装置的摆板转动幅度、摆板表面的压力、活塞的作用力和俘获的波浪能量。 2 计算方法 2..1 水动力分析的频域势流方法 定义一右手坐标系 Oxyz 来研究波浪对三维结构物的作用问题，如图 3 所示，原点在平均静水面上，Z 轴垂直向上为正，X 轴为波浪入射方向。物体表面定义为 S ，自由水面 S ，水平海底 S 。 B F D 图3 坐标系和计算域定义图 假定流体不可压缩，无粘，运动无旋。速度势满足拉普拉斯方程 2 ∇Φ 0 （1） * 作者简介：滕斌（19-），男，教授。Email: bteng@ 654 第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集 对于圆频率为ω 的规则波浪，分离出时间因子e−iωt ，速度势Φ为 ⎡ −iωt ⎤ Φ Re ϕe ， （2 ） ⎣ ⎦ 速度势ϕ 可分解为入射势ϕ ，绕射势ϕ 和对应物体六个广义运动（纵荡、横荡、升沉、纵摇、橫摇、转