圆柱浮子垂荡运动性能的CFD模拟与流场分析

对波浪能装置中的圆柱形浮子采用计算流体力学(CFD)方法进行时域模拟,通过浮子运动幅值与国外权威数据的对比,验证了CFD方法的准确性.利用该方法研究了浮子吃水、直径和底部形状与浮子运动性能的关系,并从流场的角度分析了底部形状对浮子的能量吸收与耗散的影响.结果表明:直径相同的圆柱,吃水较大圆柱垂荡运动幅值较大;吃水相同的圆柱,直径较小的圆柱运动幅值较大;对于相同尺度的圆柱,半球形底的圆柱比平底圆柱垂荡性能好,俘获宽度比也较高.     

点吸式波浪能装置的功率特性研究

基于线性规则波理论针对固定式点吸收波浪能发电装置进行研究,通过数值计算,分析了锥形浮子与圆柱形浮子在无阻尼和有阻尼条件下在波浪作用下的运动规律,探索浮子的运动响应和装置的能量转换效率与浮子形状、波浪频率或周期以及PTO系统阻尼之间的内在关系,寻求进行固定式点吸收波能装置最优化设计的方法。通过计算和分析,提出了浮子结构和PTO系统阻尼特性对装置能量转换特性的影响规律,该结论可为点吸式波浪能转换装置的理论研究和工程应用提供参考和借鉴。     

跷跷板式波浪能装置阵列发电性能分析

 波浪蕴含着巨大的能量,也具有较大的破坏作用。提出了一种跷跷板式的波浪能发电装置,采用双浮筒型的水面浮子结构形式,在水下设置垂直阻尼板。波浪激励浮子产生横摇运动,利用浮子与水下阻尼板的相对摇荡运动发电,结构简单,运行可靠。利用ANSYS-AQWA水动力分析软件计算了标准单体、大面积单体和多体阵列的发电性能,结果显示,在周期6.28 s,波高2 m的海况下,跷跷板装置具有每平方米上百瓦的发电能力,具有显著的应用前景。     

基于CFD的波浪能转换装置水动力性能分析

为了研究点吸式波浪能转换装置的水动力性能和载荷,采用基于黏性流体力学的CFD方法,模拟三维数值波浪水池,计算了波浪能转换装置的浮子在波浪周期为1.6,2.0,2.4s的运动位移和速度,以及浮子在特定波浪参数下的垂向受力,并与实验值进行对比.结果显示计算值与实验值符合良好,验证了此方法的准确性与可行性.在此基础上,进一步计算并分析了不同机械阻尼对装置运动性能的影响,结果表明机械阻尼增大会导致浮子的运动位移和速度减小,为装置的性能优化提供了依据.     

双浮体波能装置的水动力计算与能量转换特性分析

 波浪能是一种可再生清洁能源,波浪能发电是开发和利用波浪能的主要形式。双浮体波浪能发电装置是一种结构简单、建造和安装成本较低的波浪能装置。为提高该类装置的可靠性和能量转换效率,本文针对其水动力性能和能量转换特性进行研究。基于线性波浪理论,建立装置的运动学方程,确定装置不同结构体的运动响应函数以及能量输出函数,并采用频域水动力数值方法,计算装置不同结构体的水动力系数,获得不同条件下位移幅值和输出功率随波浪频率的变化曲线。经过计算与分析,获得波浪作用下装置的运动规律和能量输出受波浪频率、PTO 系统阻尼系数以及装置的结构和材料等因素的影响规律。     

摆臂浮子式波能装置的运动及能量转换性能

 海洋波浪能是一种清洁的海洋可再生能源,受到了广泛关注。设计和制作了一种摆臂浮子式波浪能实验装置,并在船模拖曳水池进行实验,以研究该装置的运动和能量转换性能。摆臂浮子式波浪能实验装置由两个浮子、两个摆臂以及机械传动装置和发电机组成,装置固定于拖车之上。通过水池实验测量不同工况下浮子的垂向运动加速度和发电机的输出电压,分析波高和周期对浮子运动的影响,计算装置在不同波浪条件下的能量转换效率。从实验结果可知,在波浪作用下,装置的垂荡运动性能较好,具有较高的能量转换效率。     

具有非线性PTO的波能装置水动力及获能分析

运用计算流体力学(CFD)方法对系泊双浮体波浪能装置的水动力及PTO(动力输出装置)非线性出力特性进行模拟和分析,利用VOF(流体体积分数)方法结合动网格及刚体求解技术模拟波浪生成及浮体运动,分析了不同速度指数的非线性动力输出装置下波浪能装置的水动力及获能特性,并与线性PTO的特性进行对比.在此基础上提出一种组合控制模式,可使波浪能装置在较大的PTO阻尼系数范围内维持较高的俘获宽度比.     

振荡浮子式波能装置波浪爬升特性试验

 复杂海洋环境下振荡浮子式波能装置与波浪相互作用过程中,浮子迎浪侧会发生波浪爬升等非线性现象,严重时波浪会越过浮子顶部,这对波能装置的发电效率及工作性能产生不利影响。设计并进行了规则波作用下垂荡浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,探讨了波浪周期、常数PTO（能量摄取,power take-off）阻尼以及不同周期下改变常数阻尼对波浪爬升特性的影响。研究结果表明,波浪周期较大和PTO阻尼较小时,有利于降低浮子迎浪侧的波浪爬升幅度;波浪周期较小时,改变PTO阻尼对迎浪侧的波浪爬升幅度影响较小。     

多自由度振荡浮子装置波浪爬升特性试验与数值模拟

增加振荡浮子式波浪能发电装置的自由度可以拓宽设备的捕获频带,从而有效地提高其捕获效率,但这也意味着浮子与波浪间的作用过程更加复杂,产生的波浪爬升等非线性现象不容忽视,严重时甚至会发生越浪从而降低浮子装置的使用寿命和效率．本文开展了规则波作用下多自由度浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,对单自由度运动和多自由度耦合运动的浮子上的波浪爬高进行了比较,以分析在有无动力输出装置(power take-off,PTO)阻尼条件下自由度之间的相互作用效应,并使用数值模拟分析耦合运动浮子周围的流场分布．结果显示,增加自由度可以导致没有PTO阻尼的浮子上的波浪爬高显著降低,有效降低越浪风险．对于有PTO阻尼的多自由度振荡浮子,增加垂荡方向上的PTO阻尼力对波浪爬升有很大影响．三自由度耦合运动浮子能更好地利用波浪能并具有更好的安全性．     

振荡浮子式波能转换装置阵列的物理模型水池试验

 振荡浮子式波能转换装置在防波堤上进行阵列化布置时,各装置的浮子获能体之间会发生复杂的水动力相互作用,影响装置的运动和发电性能。开展物理水池试验,研究了防波堤前振荡浮子式波能装置阵列的水动力响应特性,着重分析了不同波浪条件下浮子尺寸和分布间距对装置运动性能和发电功率的影响规律。研究发现,在所考虑的参数范围内,相同波况条件下,小半径浮子波能装置的发电功率更高;窄频带波浪环境中,小间距布置有利于产生更大的功率峰值,且入射波高对装置的发电功率有显著影响。     

频域内海洋资料浮标垂荡运动特性研究

随波性作为海洋资料浮标的重要设计参数,影响着波浪参数的测量准确度。本文应用三维势流理论计算了圆盘浮标体的附加质量、兴波阻尼系数等水动力系数以及波浪激励力,基于单自由度运动方程研究了自由浮标的垂荡响应。考虑锚链垂向弹性回复刚度系数对浮标垂荡的影响,研究了两种类型系泊浮标在波浪中的垂荡运动响应。研究发现,直径3 m浮标较直径10 m浮标具有更好的随波性,且锚链对3 m浮标的垂荡运动的影响较10 m浮标更为显著。研究结果对波浪传感器的参数修正具有重要意义。     

蛇形波浪能采集系统的仿真分析

设计出一种蛇形波浪能采集系统。系统由圆柱浮筒连接构成,浮筒中交替放置永磁体和软磁体。浮筒随着波浪上下浮动,引起缠绕在软磁体上线圈中磁通量的改变,感应出电能。文章针对黄海海域建立出海浪数学模型,据此设计结构参数。应用Ansys对系统仿真计算,单个浮筒的平均功率约2.36Kw,能量采集效率约18.9%。     

基于超声Lamb波技术的储罐底板缺陷检测

 针对储油罐底板长期服役过程中罐底边缘板常发生腐蚀的情况,研发出一种超声Lamb波检测技术,开展了相关实验研究并设计了一套储罐检测自动化装置。对14mm大厚度钢板进行了仿真分析,计算出激发角度曲线,得出其A0模态Lamb波最佳激发角度为70°。设计加工了某2万m³成品油储罐底板1:1实验模型,并使用设计的UT350平板导波检测系统在该模型板上开展了实验,当激励信号频率为490kHz时检测结果最佳。实验结果表明Lamb波A0模态的低频脉冲信号能实现对大型钢板的缺陷检测,具有较好的缺陷识别能力。设计了一套能紧贴储油罐壁自动行走的储罐底板自动化检测装置,该装置可根据储罐边缘板自动调节传感器角度和压紧力,能根据检测效果调节行走速度。实现了对储罐底板缺陷连续、高效、稳定的在线检测过程。研究结果和设计装置实现了对储油罐底板缺陷检测,为储罐安全运行提供了保障。     

海洋资料浮标锚泊系统的系泊力计算

为了准确预报海洋资料浮标的受力及运动情况,建立了浮标锚泊系统的运动方程,提出了在海洋环境中作用在浮标及锚系上的各种外载荷的计算方法,得到了浮标的运动方程以及锚系的受力表达式。在计算锚泊系统的外载荷时,考虑了作用在锚系上的海流载荷以及由波浪载荷引起的波频运动对锚系的影响。通过算例在时域内对浮标锚泊系统的运动和张力进行了数值模拟计算,结果表明,该方法满足海洋工程中对浮标系统运动和受力分析的精度要求。     

超大跨斜拉桥地震行波效应分析

对多点激励下的振型方程进行了推导,简化成类似于一致激励下的振型方程形式,导出多点激励下的振型参与系数和振型等效地震波,从而可由反应谱判断多点激励对结构振动的影响.以一座试设计的主跨1 400m斜拉桥为例,采用振型分析法分析了考虑行波效应的超大跨斜拉桥振动机理。通过拟静力法分析了行波效应引起的各支承点地震动位移的差异对超大跨斜拉桥结构变形的影响,同时,利用位移输入法,对超大跨斜拉桥进行了地震时程分析,研究了行波效应对超大跨斜拉桥顺桥向耗能体系地震损伤的影响.研究结果表明:行波效应减小了耗能辅助墩的耗能作用,增大了桥塔的地震损伤,对超大跨斜拉桥顺桥向耗能体系地震反应的影响是不利的.视波速为1 000~3 000m·s-1范围内的长周期地震动作用下行波效应的影响尤为显著,因此在超大跨斜拉桥地震反应分析时必须考虑.     

双圆柱形浮体波能装置双自由度响应及转换效率分析

大部分波能装置是通过载体的振动吸收波浪能,双圆柱形浮体是其中一类波能装置,研究双浮体波能装置的振动特性对于设计及提高波能装置整体转换效率具有重要的指导作用.本文把双浮体波能装置物理问题简化为具有黏性阻尼二自由度的受迫振动系统,采用线性波理论和特征函数展开匹配法求解了波浪引起的激励力、附加质量和阻尼系数,基于振荡浮体的双自由度运动方程推导了波能装置的响应和转换效率表达式,并给出了优化原则.数值分析表明阻尼优化曲线有一波峰部分同弹簧无关,峰值的大小和对应的频率只同工况有关;当弹簧存在时,优化曲线呈现双峰值,双峰值对应的频率宽度随弹性系数的增大而变窄;低频段峰值对应阻尼较小,相对响应较大,高频段优化峰值对应相当大的阻尼,相对响应较小,几乎小于入射波波幅.     

基于相位差谱的多点激励人工波数值生成算法研究

在三角级数时域合成与快速离散傅里叶变换频域调整算法的基础上,实现基于对数正态分布相位差谱的单点激励人工波的数值生成,着重分析了目标反应谱的迭代拟合技术.结合相关建筑标准中所列地震波,给出了四类场地土的相位差谱统计特征,以利于工程采用.并以描述频谱幅值衰减关系的相干函数与以相位表征的行波效应为条件,实现多点激励地震波的数值生成.同时考虑幅值与相位两因素,保证了多点激励地震波在相邻两近点处的地震位移曲线的一致性合理条件.     

基于MEMS加速度计的波高测量装置

利用加速度计浮标对海洋特定的参数波高进行监测。加速度计浮标运用三轴加速度计、陀螺仪、强磁场计以及电磁罗盘模块作为核心电路,利用惯性导航原理,采用四元素法进行坐标转换,并用低通滤波算法对采集信号进行处理,将滤波后的信号值进行二次积分可获取轴向位移,其中Z向位移用来计算波高,同时运用倾角测量原理计算上跨零点处浮标与水平面倾角,并用电子罗盘进行校正,以此来判断波向的方法。使用该波高测量装置对一系列波浪进行测量,并与电容波高传感器进行对比,实验结果表明:运用加速度计浮标测得竖直方向位移曲线,与电容式波高传感器实测曲线相比一致性较好,针对测量结果进行对比发现频域内分析方法误差更小。因此基于陀螺仪和加速度计的波浪观测装置能够满足波浪实验测量需求。