浮式平台与阵列波浪能浮子的多体耦合效应研究.pdf

浮式平台与阵列波浪能浮子的多体耦合效应研究

摘要

波浪能以资源广泛分布等优势，成为当前国际能源领域研究的热点和前沿。然而

波浪能发电装置的较高建造成本和较低生存能力是限制其商业运营的主要障碍，国内

外学者提出了将波浪能装置与传统海洋结构集成的概念，从而实现成本共享、空间利

用和协同增效等功能。本文聚焦漂浮式波浪能发电装置，该装置结构为阵列波能浮子

绕中心浮式平台呈三角式布置排列，为此本文对具有多物体复杂布置特征的漂浮式波

能装置开展水动力特性分析研究，提出能够表征连接条件下浮式平台与阵列波能浮子

铰接的约束矩阵，进一步地构建频域运动方程，应用所建立的数值模型研究了漂浮式

平台与阵列波浪能装置的耦合效应。此外，就漂浮式波浪能装置-系泊系统的动力特性

开展了时域分析。主要研究结论如下：

（1）提出了能够表征任意布置条件下浮式平台与阵列波浪能浮子铰接的约束矩

阵，构建了浮式平台与阵列浮子集成系统的频域运动方程，探究了PTO阻尼、平台运

动形式、水深变化等因素对浮式系统运动响应和俘能特性的影响。结果表明，在规则

波作用下，浮式系统波能俘获总效率的峰值随着PTO值的不断增大呈现先增大后减小

趋势，在PTO阻尼值为1.0E7N∙s∙m时，浮式系统的总俘能效率最高。相对于漂浮式平

台，固定式平台条件下浮子的纵摇运动幅值与浮式系统的总俘能效率均有所增大。另

外，随着水深增加，浮式系统中浮子的纵摇相对转角和俘能效率均呈现降低趋势，揭

示了漂浮式波浪能装置的运动响应特性和能量输出特性。

（2）应用时域数值模型，研究了漂浮式波浪能装置-系泊系统的耦合动力特性，

阐明了系泊线参数对浮式系统运动特性的影响规律。结果表明，浮式系统各自由度迟

滞函数在t=50s时趋于收敛，水动力系数稳定。通过设置合适的系泊线夹角、数量以及

长度，可在一定程度上降低浮式系统的运动响应与系泊应力，有利于系统的锚固作

用。

关键词：水动力数值模拟；多浮体水动力学；漂浮式波浪能发电装置；系泊系统

浮式平台与阵列波浪能浮子的多体耦合效应研究

Abstract

Waveenergyhasbecomeahotspotandfrontierofcurrentinternationalresearchinthefield

ofenergywithadvantagessuchaswidedistributionofresources.However,thehigher

constructioncostandlowersurvivabilityarethemainobstacleslimitingwaveenergyconverter

devices’commercialoperation,andscholarsathomeandabroadhaveputforwardtheconcept

ofintegratingwaveenergyconverterswithtraditionalmarinestructurestorealizethefunctions

ofcostsharing,spaceutilizationandsynergy.Thispaperfocusesonthefloatingwaveenergy

converter,whichisstructuredasanarrayofwaveenergyfloatsarrangedinatriangular

arrangementaroundacentralfloatingplatform.Inthispaper,thehydrodynamic

characterizationofthefloatingwaveenergyconverterwithacomplexarrangementofmulti-

objectsiscarriedout.Aconstraintmatrixcharacteri