一种基于浮式防波堤的新型波浪能装置水动力学性能研究

Wave energy is a kind of ocean renewable energy with great reserves. It’s estimated that the wave energy to be utilized in the whole world reaches 2.5TW. One of the key challenges in developing a wave energy device is to lower the cost and improve the efficiency of energy conversion. Aiming at this issue, a novel wave energy conversion based on floating breakwater is proposed. This device is based on the multi-utilization of floating breakwater to cut the construction and maintenance cost, and has the same advantages with flap-type wave energy converters. Meanwhile, a three-dimensional numerical model based on the N-S solver is developed to study the hydrodynamic response of the proposed energy device. Laboratory experiments are carried out to validate the applicability of the developed numerical model. Using the numerical tool, the hydrodynamic characteristics due to viscous effect and nonlinear deformation of water waves during the wave-structure interaction process are investigated. The effect of Power-take-off damping load on the wave energy conversion efficiency and wave controlling is highlighted. The performance of the proposed device under different wave conditions is also discussed. This project does not only have significant academic value to enrich the wave energy conversion techniques, but also has important significance in providing a useful tool and reference for the development of other similar wave energy converters.

波浪能是一种储量巨大的海洋可再生能源，据估计全世界可开发利用的波浪能达2.5TW。波浪能开发利用的关键问题之一为降低能量转换成本和提高能量转换效率，针对该关键问题，本项目提出一种基于浮式防波堤的新型波浪能装置。该装置基于多功能用途浮式防波堤的理念，便于分摊降低成本，同时也具有摆式波浪能装置频率响应范围宽、可靠性高等优点。针对所提出的新型波浪能装置，本项目拟扩展开发基于N-S方程的三维非线性水动力学模型，并进行物理模型试验验证该数值模型的准确度和适用性。进一步地，利用该数值模型研究该新型波浪能装置与波浪相互作用过程，重点阐明其考虑粘性和自由水面非线性变形的水动力学机理和特性，分析其在不同发电负载配置类型下的能量转换效率和消波性能，探讨该装置在不同海况下的工作状态。本项目研究不仅在丰富波浪能利用手段方面具有重要的学术价值，而且为其他类型波浪能转换装置的科学开发提供参考依据和有效工具。

在开发利用海洋波浪能的装置中，近岸漂浮式波浪能发电装置以其能量转换效率较高的优势受到了多数学者和科研人员的青睐。其中，构造灵活可变，浮体所占海域面积小，重量轻的点吸收式单浮体波能转换装置一直是振荡式装置的研究热点，近些年，将振荡式波能转换装置与海岸结构物相结合以提高波浪能利用率的形式也不断出现。.本研究利用浸入边界法和捕获自由液面的VOF方法建立数值模型，分析了浮体运动过程中周围的波面时历变化曲线和流场变化规律，转动振幅随着浮体长度的变化规律以及转动振幅随着浮体和防波堤的间距的变化规律，并得出以下结论：（1）当浮体长度不变时，浮体的转动振幅随着间距的增加而减小；当间距不变时，浮体的转动振幅随着浮体长度的增加而减小。（2）作用在浮体上的阻尼荷载会减小浮体的运动振幅。（3）在其它条件相同的情况下，T形下部的矩形有助于增大与水体的接触面积，且在下部矩形两侧形成压强差有助于T形浮体的定轴转动，所以T形浮体的运动振幅大于长方形浮体的运动振幅，这说明T形浮体的动力特性较好。.另一方面，部分学者已证实，通过对单个浮体进行有序排列，形成多浮体机构去俘获波浪能，更有利于浮体机构捕捉来自各个方向的波浪能，波能转换效率更高。将浮体阵列应用于多浮体发电机构中，可充分发挥多浮体的优势。但在已有研究中，缺少多个小型浮体与波浪相互作用的水动力分析资料。因此本文以一列3浮体波能转换装置为研究对象，利用浸入边界法和跟踪自由面的VOF方法建立了相应的二维数值模型，通过数值模拟研究了在不同场景、不同波况、不同负载条件下浮体周围的波面变形、浮体的动力响应、波浪能输出功率和波浪能转换功率，得到以下结论：（1）设计较高波能转换率的装置可以通过控制一定的波浪条件和施加相应确定的负载来实现。（2）可以通过改变环境条件来控制多浮体波能转换装置中某个浮体较其他浮体输出功率的相对大小。