海蘑菇波能转换系统耦合运动及性能研究

论文摘要

近些年来,波浪能利用已经成为全球范围的研究热点,波浪能发电装置种类繁多,层出不穷,各国学者都在积极探索高效转换能量的波浪装置和装置的分析方法。本文以海蘑菇波能转换系统作为研究对象,由于吸波圆柱和吸波浮子之间存在水动力、运动、作用力以及能量传递的相互耦合作用,使得其运动响应、载荷特性以及能量转换特性等出现了新的不确定性,因此在学术上需要深入细致的研究和探索。首先,基于特征函数展开和匹配（Eigenfunction Expansion-Matching,EEM）势流理论,在频域中分析海蘑菇波能转换装置在线性波浪条件下的一阶绕射问题和辐射问题,并推导出作用于海蘑菇波能转换装置的波浪载荷、附加质量和辐射阻尼等水动力系数频域解析表达式,结合具体的算例对装置的水动力进行分析。在此基础上,采用非线性的脉冲响应函数（Impose response function,IRF）的频域转时域方法,获得了波浪激励力和水动力系数的时域半解析表达式。然后,为海蘑菇波能转换装置建立一个简化的数学运动模型,引入线性的功率输出（Power Take-off,PTO）系统,推导出只包含两个自由度未知量的耦合非线性运动微分方程组;采用固定时间步长的四阶龙格库塔法（Runge-Kutta Methods,RKM）,通过编写Intel Fortran程序实现对运动方程组的数值求解。结合已有的模型试验数据对本文的数学模型进行对比分析,以验证装置水动力、运动和波能转换理论计算方法的可行性。最后,选取合适的规则入射波,求解海蘑菇波能转换装置时域运动和波能转换特性,并对其耦合效应进行数值分析;研究装置线性PTO阻尼系数对装置的运动和发电性能的影响。本文的研究结果为进一步实际应用奠定了技术基础和科学依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 波浪能发电技术发展现状
•     1.2.1 波浪能转换装置分类
•     1.2.2 垂荡式波浪能装置发展现状
•     1.2.3 浮力摆式波浪能装置发展现状
•   1.3 浮体水动力计算理论研究现状
•     1.3.1 解析法
•     1.3.2 势流边界元法
•     1.3.3 粘性N-S方程法
•   1.4 本文主要研究内容
• 第2章 基于势流理论水动力学计算方法
•   2.1 势流理论
•     2.1.1 控制方程
•     2.1.2 边界条件
•     2.1.3 线性波速度势
•   2.2 浮体在波浪中的频域计算方法
•     2.2.1 水动力定解条件
•     2.2.2 拉普拉斯方程的基本解
•     2.2.3 波浪载荷
•     2.2.4 线性运动微分方程及稳态解
•   2.3 浮体在波浪中的时域计算方法
•     2.3.1 时域运动方程
•     2.3.2 数值法求解时域运动方程
•   2.4 本章小结
• 第3章 海蘑菇波能转换装置的水动力解析解
•   3.1 水动力问题描述
•     3.1.1 基本假设
•     3.1.2 坐标系
•     3.1.3 速度势的分解
•     3.1.4 流体子域的划分
•   3.2 海蘑菇波能转换系统波浪激励力解析解研究
•     3.2.1 速度势
•     3.2.2 耦合面速度势匹配
•     3.2.3 力的解析解表达式
•     3.2.4 算例与分析
•   3.3 海蘑菇波能转换装置水动力系数解析解研究
•     3.3.1 速度势
•     3.3.2 耦合面速度势匹配
•     3.3.3 水动力系数的解析解表达式
•     3.3.4 算例与分析
•   3.4 本章小结
• 第4章 海蘑菇波能转换装置运动方程的建立
•   4.1 坐标系的建立
•     4.1.1 绝对坐标系和旋转坐标系的建立
•     4.1.2 绝对坐标系和旋转坐标系之间的坐标转换关系
•   4.2 装置运动量在绝对坐标系下的表达式
•     4.2.1 吸波圆柱运动量在绝对坐标系下的表达式
•     4.2.2 吸波浮子运动量在绝对坐标系下的表达式
•   4.3 动力输出（Power Take-off,PTO）系统的引入
•     4.3.1 PTO作用力
•     4.3.2 发电性能
•   4.4 海蘑菇波能转换装置耦合非线性运动方程
•     4.4.1 吸波浮子平动非线性运动方程
•     4.4.2 吸波圆柱转动非线性运动方程
•     4.4.3 耦合非线性运动方程
•   4.5 龙格库塔法求解耦合非线性运动方程
•   4.6 本章小结
• 第5章 海蘑菇波能转换装置特性研究
•   5.1 运动模型的验证
•     5.1.1 试验模型概述
•     5.1.2 工况选择
•     5.1.3 运动响应验证
•   5.2 海蘑菇波能转换装置耦合效应分析
•     5.2.1 吸波立柱与吸波浮子的运动关系
•     5.2.2 运动响应分析
•     5.2.3 发电性能分析
•   5.3 PTO阻尼系数分析
•     5.3.1 吸波浮子Cpto的影响
•     5.3.2 吸波圆柱Cpto的影响
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 元菲

导师: 张亮

关键词: 海蘑菇波浪能转换系统,水动力,耦合运动,线性,发电性能

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 哈尔滨工程大学

基金: 国家自然科学基金项目“漂浮式浪流联合发电装置水动力耦合特性分析”(编号:51579055)

分类号: TM612;P743.2

DOI: 10.27060/d.cnki.ghbcu.2019.000111

总页数: 89

文件大小: 6599K

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