后弯管式波力发电装置气室结构的试验研究＊

刘 臻，肖 翔，吕小龙，曹飞飞

（中国海洋大学山东省海洋工程重点实验室，山东 青岛266100）

后弯管浮式波力发电装置（Backward Bend Duct Buoy，简称BBDB）作为一种离岸的振荡水柱式波力发电装置（见图1），其主要工作原理是能量3次转换：波浪与装置相对的纵向和横向运动导致气室内水柱振荡，带动气室内空气往复运动，完成能量1次转换；空气经过透平带动其转动，将空气的动能转换为透平的机械能，完成能量2次转换；发电机组将透平的机械能转换为电能，完成能量3次转换。

图1 后弯管浮式波力发电装置Fig.1 BBDB wave energy converter

鉴于BBDB波力发电装置具有质量轻、结构简单、运输安装方便、适应范围广（特别是小波浪和浅水区）、波能转换效率较高等优点[1]，各国专家学者与机构对BBDB波力发电装置进行了一定的研究。日本、爱尔兰及中国对此类装置的研究较多且取得一定成果。我国广州能源所将BBDB波力发电装置应用于水道1号导航灯船上，建造完成了我国最大的导航灯船[2]。该所从多个方面对BBDB波力发电装置进行了试验研究：梁贤光、孙培亚、王伟等[3－5]对6种BBDB装置模型进行工作性能测试，比较形状参量对装置工作性能的影响，发现BBDB装置浮室采用前方后圆型、弯管后伸时性能最好；比较BBDB波力发电装置在L型链和S型链系泊时的工作性能，发现装置采用L型链系泊时工作性能最好；对单体、双并联、三并联3种BBDB波力发电装置的工作性能和锚泊力进行测试，试验数据显示，装置并联后，其最佳响应周期同并联前基本相同，在三并联时，位于中间位置的装置工作性能略低于两侧装置的工作性能，单个装置的工作性能较并联前有所下降。

通过观察前期后弯管浮式波力发电装置的研究开发可以发现，针对该装置的物理模型试验主要集中在对装置结构形式的考察及锚泊方式和锚链形式的比较上，全面考察入射波参量和装置结构参量对装置水动力学特征与一次能量转换效率的影响则有待进一步加强。此外，前人装置的研发目标主要集中于百瓦级的航标灯供电装置应用，而对于漂浮式10kW级装机容量的装置研究仍较少。

本文拟在前人研究基础上，以10kW级后弯管式漂浮型发电装置为研究对象，以装置的水动力学性能为主要研究内容，以气室内相对波高作为主要表征参数，通过断面水槽水工物理模型试验，考察了气室内水柱振荡幅度与入射波波高和入射波周期之间的关系，分析了气室完全开敞、输气管添加负载以及弯管横管长度在不同入射波高和周期下对气室内水柱振荡的影响，为进一步的大功率装置设计与试验提供了理论依据。

1 试验设计

1.1 造波系统测量设备及仪器

本研究物理模型试验全部在海军工程实验室的断面物理模型试验水槽中进行。水槽长50m、宽1.2m、深1.2m，为随机波波流耦合水槽。试验的测量设备及仪器包括DS－30型多功能数据采集处理系统以及配套使用的波高仪。

1.2 装置结构形式及设计参数

本研究以前人设计的装置型式为基础，参考青岛地区海域波浪要素，依据重力相似原理（长度比尺1∶16），给出了BBDB浮体装置的设计尺寸（模型值），见图2。装置长850mm，宽400mm，高650mm。后弯管水平段长850mm，垂直段长650mm，属长宽比为2∶1的矩形管，即截面长400mm，宽200mm。为给装置提供浮力并保持其平衡，设置650mm×440mm×400mm的长方体浮室。

图2 装置主体结构示意图Fig.2 Sketch of BBDB device

在物理模型试验中，为更好的测定装置气室内水柱的振荡情况，BBDB模型装置采用钢支架直接固定于水槽当中，装置整体运动与系泊问题将在以后的研究中陆续展开。

1.3 试验内容及工况组合

为更好的考察入射波参量和形状参量对装置的水动力学性能的影响，试验主要从以下3个方面进行：

（1）气室顶部开敞输气管封闭时水柱的振荡情况。该方面试验可考察气室内水柱振荡幅度与入射波波高和入射波周期之间的关系及气室完全开敞对气室内水柱振荡的影响。

（2）输气管添加不同负载时气室内水柱的振荡情况。输气管分别为空载、添加直径62mm孔板负载、添加31mm孔板负载，见图3（a）。该方面试验可考察输气管添加不同负载对气室内水柱振荡的影响。

（3）弯管向后伸不同长度时气室内水柱的振荡情况。气室顶部封闭，输气管添加31mm孔板负载，横管长度分别为初始长度、向后延伸150mm、向后延伸300mm，见图3（b）。该方面试验可考察横管长度对气室内水柱振荡的影响。

图3 装置细部特征Fig.3 Details of BBDB device

表1 入射波要素一览表Table 1 Incident wave conditions

表2 装置模型试验工况一览表Table 2 Shape parameter conditions

表1给出了物理模型试验中规则波的波浪要素，表2给出了试验工况。共进行试验72组。波浪要素的变化范围为：波高H＝6.25～12.50cm，周期T＝1～1.75s。试验水深为70cm，装置横管上表面距平均水位距离为15cm。

2 试验结果分析

2.1 入射波要素的影响

2.1.1 入射波高的影响 图4给出了BBDB波力发电装置（工况1）在入射波H0＝6.25cm，周期T＝1.75s（模型值）时气室内水柱的振荡情况，红色线为平均水位线，黑色线为装置轮廓线和气室内水位线。比较水槽同一截面上气室内外波面变化可知，入射波波面运动同气室内水柱振荡间存在约0.375T的相位差。

周期T＝1.75s时，不同入射波波高下气室内水柱表面变化时程曲线如图5所示。由图可见：气室内波高随入射波高的增大而增大，水柱振荡基本呈规律的正弦曲线，且运动周期同入射波周期相同。需要指出的是，受到水槽边壁以及装置与波浪场相互作用影响，气室内波高并非固定不变。

气室内波高和相对波高随入射波高的变化见图6。图中横轴为入射波高，纵轴分别为气室内波高和相对波高，不同曲线代表不同入射波周期情况下波高和相对波高的变化：气室内波高和相对波高均随着入射波周期的增大而增大。T＝1.75s时，相对波高接近2，T＜1.50s时，相对波高小于0.8。这说明气室内水柱的振荡对大周期响应较好。值得一提的是，气室内波高的增速要小于入射波波高的增速，且增速随入射波波高增加而变缓。

2.1.2 入射波周期的影响 入射波波高H0＝9.38 cm，周期T＝1.25s时，气室内水柱振荡情况如图7所示（工况1）。此时入射波波面运动同气室内水柱振荡间存在0.125T的相位差。入射波周期T＝1.50s时，相位差为0.250T；T＝1.75s时，相位差为0.375T。可见相位差的大小同入射波周期的大小密切相关。

图4 气室内外波面变化，（T＝1.75s，H0＝6.25cm）Fig.4 Wave elevations（T＝1.75s，H0＝6.25cm）

图5 气室内水面变化曲线，T＝1.75sFig.5 Curves of wave elevation in chamber

图6 气室内波高和相对波高随入射波高变化Fig.6 The wave height and the relative wave height variation with the incident wave height

图7 气室内外波面变化（T＝1.25s，H0＝9.38cm）Fig.7 Wave surface changes while T＝1.25s，H0＝9.38cm

入射波波高H0＝9.38cm时，不同入射波周期情况下气室内水柱表面变化时程曲线见图8。入射波周期较小时（T＝1.00、1.25s），气室内水柱振荡较弱，波高较小，相对较大波高出现次数较少。水柱振荡无明显规律，属无序振荡。当入射波周期增大至1.50s以上时，气室内波高明显增加，水柱振荡基本呈规律的正弦曲线。由图可见，气室内水柱振荡受入射波周期影响明显，入射波周期较小时，气室内水柱呈无序振荡且波高较小。入射波周期较大时（T＞1.5s），气室内水柱振荡剧烈，呈明显的正弦曲线。

图8 气室内水面变化曲线，H＝9.38cmFig.8 Curves of wave elevation in chamber

图9给出了入射波高对相对波高变化的影响。相对波高随入射波周期的增大而增大，入射波周期越大，增速越快。气室内相对波高受入射波周期影响较大，受入射波波高影响较小，同周期下不同入射波波高气室内相对波高基本一致。这说明在入射波周期较大时，气室功能性能较好。增加入射波波高能有效提升气室输出功率，但对波能利用率影响较小。此类装置更适合在入射波周期较大的情况下工作。

图9 入射波高对相对波高变化的影响Fig.9 Effects of incient wave heights on relative wave height

2.2 负载因素的影响

输气管添加负载后，不同波要素下气室内水柱表面运动更为平稳，基本呈一条直线升降，见图10（工况3）。观察不同负载对相对波高的影响可知（图11）：入射波周期较小时，输气管内添加不同负载对气室内水柱振荡影响较小，不同工况间气室内相对波高基本相同。周期较大时，输气管添加负载对气室内水柱振荡影响明显，添加不同负载的气室内相对波高存在显著差别。输气管添加31mm孔板负载时相对波高下降明显，仅为其它工况的1/2左右。在相同入射波周期下（T＝1.75s），气室顶部开敞时与输气管添加31mm孔板负载时入射波波面运动同气室内水面运动间的相位差不同，分别为0.375T和0.5T，说明输气管负载对气室内水柱振荡有延迟作用。

2.3 弯管向后延伸长度的影响

试验发现，入射波波面运动同气室内水柱振荡间存在相位差，相位差的大小同横管的长度密切相关。以本试验为例，横管越长，相位差越大。分析原因，由于横管长度不同，入射波的运动在弯管入水口处与气室处呈现不同的状态，从而导致入射波波面运动同气室内水柱振荡间存在相位差。

图12给出了不同横管长度下气室内相对波高沿入射波周期的分布情况。随着弯管向后延伸，相对波高有小幅下降。这说明横管长度对气室内水柱振荡有一定的影响，但影响相对较小。

图10 气室内外波面变化（T＝1.75s，H0＝12.50cm）Fig.10 Wave surface changes while T＝1.75s，H0＝12.50cm

图11 不同负载对相对波高的影响Fig.11 Effects of loads types on relative wave heights

图12 延伸长度对相对波高的影响Fig.12 Effects of extending length on relative wave heights

3 结论

本文分析了入射波要素、输气管负载因素及弯管横管长度对气室工作性能的影响，通过分析发现：

（1）入射波波面运动同气室内水柱振荡间存在相位差，相位差的大小受到入射波周期和横管长度的影响，输气管内添加负载对气室内水柱的振荡有延迟作用。

（2）气室内水柱振荡随入射波波高的增加变的更为剧烈，但增幅趋缓。相对波高与入射波波高基本呈线性关系，周期较小时变化较小，周期较大时下降明显。

（3）入射波周期较小时，气室内水柱振荡较弱，属无序振荡。入射波周期较大时，气室内波高明显增加，水柱振荡呈规律的正弦曲线。相对波高随入射波周期的增大而增大，且入射波周期越大，相对波高的增速越快。说明该装置更适合在入射波周期较大的波况下工作。

（4）输气管添加有效负载后，气室内水柱运动趋于平稳，水柱振幅明显变小。这是由于气室内气柱同外界大气直接接触的面积减小，气流进出输气管时流速会有一个由慢变快再变慢的过程，对空气进出产生阻力，进而导致水柱振幅变小。入射波周期较小时，输气管内添加不同负载对气室内水柱振荡影响较小。入射波周期较大时，输气管添加负载对气室内水柱振荡影响较大，添加不同负载时相对波高存在显著差别。

（5）随着弯管向后延伸，气室内相对波高小幅下降。这说明横管长度对气室内水柱振荡存在影响。

综上所述，此类装置更适合在大周期、大波高的海况下工作。减少输气管负载，合理确定横管长度能够有效提升装置的工作性能。

[1]王传崑，芦苇.海洋能资源分析方法及储量评估[M].北京：海洋出版社，2009：2－4.

[2]高祥帆，梁贤光，蒋念东，等.中水道1号灯船波力发电系统模拟试验和设计[J].海洋工程，1992，2（10）：79－87.

[3]梁贤光，王伟，杜斌，等，后弯管波力发电浮标模型性能试验研究[J].海洋工程，1997，15（3）：77－78.

[4]梁贤光，孙培亚.并联式后弯管波力发电浮体模型性能试验研究[J].海洋工程，2003，21（3）：83－84.

[5]梁贤光，孙培亚，王伟，等.多点系泊下后弯管波力发电浮体模型试验研究[J].海洋工程，2001，19（1）：70－78.