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《哈尔滨工程大学》 2018年
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双共振点吸式波能系统水动力及能量转换特性研究

陈中飞  
【摘要】:海洋波浪能具有分布广泛、储量丰富和可再生等特点,开发利用波浪能对于改善能源结构与环境污染、发展海岛经济和海防等具有重要意义。本文对适合点吸式波能装置的多种轴对称凸底柱形浮子的水动力特性进行了研究和分析。基于双共振力学原理,提出了一种新型的波浪能转换系统概念——“海标枪双共振波能转换系统”,并完成了理论分析、优化设计和模型试验验证。基于线性势流水波理论、平底柱形(圆柱形)浮子的解析解法、线性势流频域边界元法等理论方法,研究了多种凸底柱形浮子的水动力特性。结合平底柱形浮子解析解法和边界元法,提出了一种利用平底柱形浮子的势流水动力加形状系数修正,得到不同凸底柱形浮子垂荡势流水动力的快速算法。基于RANS方程的粘性CFD方法,结合势流下的凸底柱形浮子水动力的快速算法,给出了记及粘性效应的凸底柱形浮子垂荡运动水动力的快速计算方法和粘性效应修正公式。针对平底、半球底、锥底、曲锥底柱形浮子的研究发现,锥底和曲锥底浮子的粘性效应都较小,而锥底浮子外形简单加工方便,因此选取锥底柱形浮子作为本文波能转换系统的外部浮子外形(“海标枪”浮子)开展能量转换特性研究。基于双共振力学原理,提出了一种新型波能转换系统概念:“海标枪双共振波能转换系统”。在考虑流体粘性效应的条件下,对海标枪双共振波能转换系统在规则波和不规则波中的运动和功率响应进行了研究和对比分析。为保障系统的安全性,提出了一种运动限制装置,并利用非线性的脉冲响应函数法进行了设计和分析。结果表明,经过合理设计,可有效的控制过度的内部相对运动,并对功率输出的影响很小。因此,可使用线性的波浪谱分析方法,对海标枪波浪能系统在不规则波下的功率输出特性进行快速计算和研究分析。基于广义搜索优化算法,本文对海标枪双共振波能转换系统的功率输出装置(PTO,Power Take Off,)系统参数和浮子几何参数进行了特征分析,并建立了参数优化设计方法。该方法可针对某一给定海域的长期波候特点,以年平均功率最优为目标,对PTO系统参数和浮子几何参数进行优化设计。最后,研制了海标枪双共振波能转换系统试验模型和测试平台,开展了 PTO系统台架试验和整体系统水池试验研究。该试验模型的核心部件是锥底柱形浮子和内部质量-弹簧-阻尼PTO系统。试验研究了 PTO系统的机械特性和海标枪双共振波能转换整体系统在波浪条件下的响应特性,验证了浮子水动力和系统波能转换理论计算方法的正确性,为进一步实际应用奠定了基础。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:P743.2;TM612

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