波浪与摆式发电装置相互作用的数值模拟研究

论文摘要

随着化石燃料能源危机的加剧,人类对海洋能的开发需求日益迫切。波浪能是目前海洋能开发的焦点,各国纷纷投入巨大力量进行波浪能发电技术的研究。本文对摆式波浪发电装置一级转换中的波浪与摆板间相互作用进程进行数值模拟,为摆式发电装置的设计和相关流固耦合问题的研究提供一种数值模拟的方法。2009年进行的波浪发电室内模型试验对摆式发电装置与波浪的相互作用进行了物理模型试验研究,得到了摆板模型在各种条件下的动力输出特性和受力情况及其与各种影响因素间的关系。本文采用ADINA有限元软件,以N-S方程和连续性方程为控制方程,根据物理模型试验条件建立三维的流固耦合数学模型来模拟波浪与摆板间的相互作用。在数学模型的建立过程中,对物理模型各个方面的模拟均思考几种模拟方案,对各方案进行对比验证,最终确定最为合理和可行的模拟方法。数学模型采用了短计算域配合造波面、阻尼消波段的数值波浪水槽技术。对消波区阻尼的施加方法进行了改进,对消波区流体人为设置较大的粘度,模拟的生成波与理论解对比准确、稳定。为了确定影响生成波浪的各个参数,采用了二维切片的流体模型进行试算。分别以各个影响因素作为变量试算对比,取定了流体模型中的各参数值。最后将数值模拟结果与理论解进行了对比,结果曲线吻合较好,验证了流体模型的合理性,为流固耦合计算提供了合理的流体模型。本文对物理模型试验中的三组试验分别以三维的流固耦合模型进行了数值模拟。提取数值模拟结果中的摆板摆角、摆板受到的水平力和摆板前的波形与试验数据进行了对比,并对数值模拟结果进行了分析,验证本文所提出数值模拟方法的合理性和适用范围。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源和意义
• 1.2 研究发展状况
• 1.2.1 工程背景
• 1.2.2 研究方法
• 1.3 本文的主要工作
• 1.3.1 物理模型试验
• 1.3.2 建立数值模拟模型
• 1.3.3 数值模拟方法的对比选择
• 1.3.4 模型试算
• 1.3.5 模拟结果分析
• 第二章 物理模型试验
• 2.1 试验目的
• 2.1.1 测试波浪能——机械能转换效率
• 2.1.2 测试摆动过程中摆板的受力
• 2.1.3 为数值模拟研究提供依据
• 2.2 试验设备
• 2.2.1 造波系统
• 2.2.2 水槽设施
• 2.2.3 消波装置
• 2.2.4 测试数据记录处理系统
• 2.3 模型律和模型比尺
• 2.4 试验模型
• 2.4.1 水室摆板结构及其工作原理
• 2.4.2 试验模型的建立
• 2.4.3 负荷阻尼系统
• 2.4.4 测试系统
• 2.5 试验过程
• 2.5.1 准备阶段
• 2.5.2 设备与传感器的率定
• 2.5.3 试验过程
• 2.5.4 试验结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 波浪数值模拟理论基础
• 3.1 基本方程
• 3.2 流体的分类
• 3.3 流体力学基本方程组
• 3.3.1 理想流体力学方程组
• 3.3.2 粘性流体力学方程组
• 3.3.3 波浪运动的基本方程组
• 3.4 初始条件
• 3.5 边界条件
• 3.6 本章小结
• 第四章 数学模型的建立
• 4.1 结构模型
• 4.1.1 水室结构模拟
• 4.1.2 摆板结构模型
• 4.2 流体模型
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 计算域选取
• 4.2.3 网格划分
• 4.2.4 开边界条件
• 4.2.5 自由表面
• 4.2.6 求解方法
• 4.2.7 时间步长
• 4.3 流固耦合
• 4.4 本章小结
• 第五章 波浪模拟
• 5.1 二维流体模型
• 5.1.1 消波区效果.
• 5.1.2 消波区粘性系数的确定
• 5.1.3 时间步长的确定
• 5.1.4 单元尺寸的确定
• 5.1.5 计算域长度的确定
• 5.2 三维流体模型
• 5.3 本章小结
• 第六章 数值模拟结果和分析
• 6.1 试验1：波高0.1m，波周期1.835
• 6.1.1 摆板摆角
• 6.1.2 摆板的水平力
• 6.1.3 摆板前波形.
• 6.2 试验2：波高0.125m，波周期2.285
• 6.2.1 摆板摆角
• 6.2.2 摆板的水平力
• 6.2.3 摆板前波形
• 6.3 试验3：波高0.07m，波周期1.265
• 6.3.1 摆板摆角
• 6.3.2 摆板的水平力
• 6.3.3 摆板前波形
• 6.4 数值模拟结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 本文主要内容
• 7.1.1 物理模型试验
• 7.1.2 数学模型建立
• 7.1.3 波浪模型试算
• 7.1.4 数值模拟结果
• 7.2 本文研究成果
• 7.2.1 三维实体流固耦合模型
• 7.2.2 模拟方法的对比选择
• 7.2.3 数值波浪水槽技术
• 7.2.4 流体试算模型
• 7.2.5 数学模型的适用范围
• 7.3 问题与展望
• 7.3.1 存在的问题
• 7.3.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢