离岸式振荡水柱气室参数CFD优化设计

杜小振，朱文斗，张　燕，张龙波，刘叙强

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东　青岛　266590）

离岸式振荡水柱气室参数CFD优化设计

杜小振，朱文斗，张燕，张龙波，刘叙强

（山东科技大学 机械电子工程学院，山东青岛266590）

采用计算流体动力学分析（CFD）技术研究离岸式振荡水柱波能转换装置的设计参数优化问题。首先，借助FLUENT软件用户自定义函数功能（UDF）并运用动边界造波及多孔介质消波方法建立基于线性波浪理论的二维数值波浪水槽，然后，将水槽的分析方法应用于振荡水柱气室仿真研究。结果表明：离岸式振荡水柱气室在发生共振时转换效率最高，气室内液面升降幅度随着波能转换装置的前墙入水深度、厚度以及气室宽度的减小而产生较明显的增大；相对于前墙尺寸，气室宽度对波能转换装置的能量转换功率影响较大。

振荡水柱；推板造波法；FLUENT；CFD

海洋中的航标灯塔、无线检测网络信号发射接收器等已经实现多点布置和发展，成为建设“透明海洋”不可缺少的节点，这些设备需要持续、长久电能供应。振荡水柱波能转换装置具有结构简单、性能可靠等优点在近年来得到广泛研究。波能转换气室优化设计是提高波浪能量采集效率的关键技术之一。

利用FLUENT软件的UDF功能模拟造波和消波的仿真技术在工况条件设计以及数据模拟等方面具有明显的优势[1]。李胜忠[2]采用源造波法和阻尼层消波模拟线性规则波、Sotkes波、孤立波以及不规则波等，并分析了稳定波场沿程衰减规律；辛颖[3]利用UDF定义造波板边界和动量源项实现造波消波模拟分析；Zhang Y等[4]预测二维振荡水柱（OWC）水力效率，揭示了空气和水流场压力分布、涡强度；Luo Y等[5]分析了气室高度、前墙厚度以及气孔阻尼系数对气室波浪能捕获效率的影响，模拟结果表明前墙厚度以及气室高度对能量捕获效率影响明显，但在共振点附近捕获效率对阻尼系数并不敏感。Teixeira P R F[6]分别建立了二维、三维气室仿真模型，研究气室周围的流线和速度模量分布以及气室内部压强规律等。Arun Kamath[7]采用在水槽前、末两端消波方式对气室进行仿真研究，结果表明气室出气口的阻尼效果对气室内压强，自由面的高低以及波浪能转换效率有很大影响。金凤、杨全等[8-9]将数值水槽与结构物相互作用获得较好的模拟结果。刘臻等[10]建立了三维数值波浪水槽并用于振荡水柱波能发电装置气室研究。

本文对不同网格划分方式及气室仿真方法进行整合与优化，阐明振荡水柱气室参数CFD分析过程及方法。利用ICEM软件实现结构化网格划分，利用FLUENT软件及其UDF功能建立二维数值波浪水槽模型,运用VOF方法追踪水槽中的自由表面运动，模拟不同周期的线性波实现对离岸式振荡水柱气室的前墙入水深度、宽度以及气室宽度参数优化分析。

1　推板造波计算理论

1.1造波

数值水槽造波方法主要有：推板造波法、摇板造波法、源项造波法、速度入口造波法等。本文采用推板造波法，模拟固体边界往复运动，驱动水槽内水体产生波动形成波浪。推板造波相对于其它几种造波法较为接近自然波浪实际状况，造浪效果好。实现推板运动造波是利用FLUENT软件中的动网格以及UDF功能，因此需要计算推板运动冲程并编写UDF程序，波面方程和推板运动冲程如下[3]。

推板运动速度函数：

推板运动产生的波面方程：

式中：L为波长；T为周期；h为水深；t为时间；S为推板振幅；x为横坐标（波浪运动方向）。波面方程中第一项是以波数K和波频ω的行波,其中K=2π/L，ω=2π/T，第二项为衰减立波，由于波面随距离增大呈指数形式衰减，因此波面方程仅取第一项，即:

式中,η为波浪振幅。根据方程(4)造波板振幅S和波浪振幅ηl之间的关系表达式为如下传递函数Cl。

1.2消波

反射波对波浪模拟产生干扰，影响仿真结果准确性，为了提高水槽数值模拟精度，需在模型末端做消波处理。选用仿物理消波方法中的多孔介质消波法，在动量方程的右端添加一个动量衰减的源项。动量方程如下：

源项由两部分组成，第一个为粘性损失项，另一个为惯性损失项：

式中：Si为i方向的动方程的源项；μ为动力粘度；υi为i方向的速度；为速度大小；1/α为粘性阻力系数；C2为惯性阻力系数。忽略惯性损失项，只取粘性损失项便可以得到良好的消波效果。

依据上述理论，利用 Fluent中 UDF宏DEFINE_PROFILE(name,thread,index)实现多孔介质的消波效果。

2　水槽造波模型CFD仿真

2.1模型创建

二维振荡水柱气室仿真模型如图1所示，该模型分为推板运动区、消波区、水、空气和气室。在FLUENT仿真系统中设置推板为动边界条件，水槽顶端为压力入口边界条件，底端、右端和气室均设置为壁面边界条件，消波区设为多孔介质。在水槽仿真模型末端添加消波区域有利于减小反射波的影响。

图1　二维仿真模型

2.2网格划分

本文利用 ICEM（The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code）创建二维结构化网格，在ICEM软件中进行模块化（Blocking）处理将模型划分多个块区域，如图2。

图2　块区域网格划分

图2中：A（1-5-8-4）在X轴方向划分50个网格；B（5-6-10-9）在Y轴方向划分40个网格；C(9-10-11-12)为波浪运动区域，该区域需对网格做加密处理，取网格最小尺寸为波高的1/20～1/30，单波长范围划分120个网格；D(13-14-15-16)为气室前墙，该区域不设网格。以上区域的网格在其各自内区域内为大小相等的四边形结构网格。E（12-11-7-8)网格宽度在X方向大小相同，沿Y负方向以1.05比率线性增加。F（6-2-3-7)为消波区域，该区域对网格要求不高，则网格宽度分别沿X正方向和Y负方向以1.05比率线性增加。

结构化网格划分方法可以实现在保证网格质量前提下对区域进行分割，各区域网格细化程度根据仿真需要而有所区别。创建推板运动区域并进行加密更能满足动网格的需要，动网格区域网格质量不高容易产生负体积导致仿真模拟结果失真；对波浪运动区域加密有利于减缓波浪衰减，以及更好地捕捉自由液面；波面以下水区域的网格密度对造波影响较小，波浪在消波区域越往后波能越小，因此这两区域网格宽度呈线性增加，既满足了仿真准确性需要，又降低了网格数目，同时有利于缩短仿真计算时间。

3　数值模拟

3.1参数设置

表1　水槽造波模型CFD仿真主要参数

水槽及气室参数如表1，不同周期与气室参数组合产生72组工况。空气密度1.225 kg/m3，海水密度998.2 kg/m3，参照经验公式给定湍流参数[11]，湍动能取0.001 024 m2/s3，湍动耗散率取0.000 025 799 m2/s3。计算时间步长取0.01 s。

3.2仿真效果

为了监测自由面处的波浪情况，需要在数值水槽中设置波高监测线，距造波板10 m、22 m处波高随时间变化的过程如图3所示。仿真效果图4内蓝色区域为空气，红色为水，中间竖直黑框为气室前墙，由于气室前墙阻碍波浪传播，波浪经过气室前墙后有所改变。在波浪传播速度矢量图5中显示更加清晰，墙前、墙后速度大小相差明显。此外，图4水槽末端水面平稳，图5水槽末端速度矢量较小均表明水槽消波效果良好。

图3　x=10 m/22 m波面上位置点随时间振动位移曲线图

图4　仿真效果图

图5　速度矢量图

4　分析结果讨论

气室各工况仿真过程如下：首先不设气室后墙，对气室前墙进行仿真分析研究，将不同周期的气室前墙所获得的气室波浪参数进行处理和优化分析，选择出最优工况，在此基础上再增设气室后墙进行仿真计算，完成离岸式振荡水柱气室参数CFD优化分析。

仿真结果显示：各前墙宽度条件下相对波幅随入射波周期增加而先增大，后趋于平稳；气室内相对波高随前墙宽度增加而减小；当前墙入水深度较小（d=0.5 m）时，气室内相对波高较大。

图6　不同前墙宽度条件下相对波高受前墙入水深度的影响

图7　不同前墙入水深度条件下相对波高受前墙宽度的影响

各前墙入水深度相同时相对波幅随入射波周期增加而先增大然后稍微减小到最后趋于平稳；气室内相对波高随前墙入水深度增加而减小；当前墙厚度较小（D=0.1 m）时，气室内相对波高较大。

图8　气室内水位高度受气室宽度的影响

分析结果图8显示气室内水位高度随周期增大呈现先增加后减小趋势，水位高度的高低峰值出现在周期T=4.0附近；(a)图气室宽度为1 m和2 m时水位高度的高峰值较大；(b)图气室宽度为2 m时水位高度的低峰值较大，1 m次之；(c)图液位高度差值最大的是宽度为2 m的气室,其值为1.58 m接近2倍波高，由此可以判断该工况发生共振。

5　结论

仿真过程利用FLUENT软件UDF功能建立造波和消波的数值水槽，用于解决振荡水柱气室参数优化问题。以本文仿真参数为基础，离岸式振荡水柱波能转换装置在短周期（T≤3 s）气室内液面升降幅度较小，在发生共振时(3.75 s≤T≤4.25 s)气室内液面升降幅度明显的增大，此时气室能量转换效率最高，结果表明气室设计应当合理运用共振作用提高能量采集效率。气室前墙入水深度、厚度与气室宽度在一安全合理范围内减小尺寸可以增大气室内液面升降幅度，气室宽度对整个气室能量采集效率率影响较大。

[1]刘德兴,郑艳娜,张佳星.振荡水柱波能发电装置的研究应用进展[J].大连海洋大学学报,2015,30(2):231-236.

[2]李胜忠.基于FLUENT的二维数值波浪水槽研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2006.

[3]辛颖.Fluent UDF方法在数值波浪水槽中的应用研究[D].大连:大连理工大学,2013.

[4]Zhang Y,Zou Q P,Greaves D.Air Water Two-Phase Flow Modelling of Hydrodynamic Performance of an Oscillating Water Column Device[J].Renewable Energy,2011,41(2):159-170.

[5]Luo Y,Nader J R,Cooper P,et al.Nonlinear 2D Analysis of the Efficiency of Fixed Oscillating Water Column Wave Energy Converters [J].Renewable Energy,2014,64(2):255-265.

[6]Teixeira P R F,Davyt D P,Didier E,et al.Numerical Simulation of an Oscillating Water Column Device Using Acode Based on Navier Stokes Equations[J].Energy,2013,61(4):513-530.

[7]Kamath A,Bihs H,Φivind A.Arntsen.Numerical Modeling of Power Take-Off Damping in an Oscillating Water Column Device[J]. International Journal of Marine Energy,2015,10:1-16.

[8]金凤,万超.波浪对有梁面板结构冲击作用数值模拟[J].水运工程,2015(12):10-15.

[9]杨全.数值波浪模拟及其在海洋平台动态特性分析中的应用研究[D].镇江：江苏科技大学,2013.

[10]纪君娜,刘臻,纪立强.振荡水柱波能发电装置气室的三维数值模拟研究[J].海岸工程,2011,30(2):7-13.

[11]李宏伟.数值水池造波方法研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2009.

CFD Analysis and Optimization of Air Chamber Parameters for Offshore Oscillating Water Column Design

DU Xiao-zhen,ZHU Wen-dou,ZHANG Yan,ZHANG Long-bo,LIU Xu-qiang
College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong Province,China

The computational fluid dynamics(CFD)technique is introduced to optimize the design parameters of offshore oscillating water column for harvesting wave energy.The two-dimensional(2D)numerical wave tank model based on linear wave theory is established with the user defined function(UDF)of the FLUENT software and the method that combines dynamic boundary wave making techniques with porous media wave absorbing theory.The analysis method of the tank is also adopted to simulate the air chamber of oscillating water column. Based on the simulation results,the maximum conversion efficiency occurs at oscillating water column resonance in the air chamber.The liquid level in the chamber will significantly rise with the reduction of the draught depth and thickness of the front wall and especially with the width of the air chamber.Relative to the size of the front wall,the air chamber width contributes more to the energy conversion efficiency of the wave power device.

oscillating water column;pushing board method for wave making;FLUENT;CFD

P743.2

A

1003-2029（2016）05-0061-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.012

2016-03-06

国家自然科学基金资助项目（51105234）；中国博士后科学基金资助项目（2015M582113）；山东省科技发展计划资助项目（2013YD04018）；青岛市黄岛区科技项目小微企业发展和孵化器专项（2014-1-107）和应用研究与公共卫生专项（2014-1-42）资助项目；山东省高等学校优秀中青年骨干教师国际合作培养项目；青岛市博士后基金资助项目；山东省自然科学基金面上项目（2016ZRB01224）

杜小振（1978-），男，博士，副教授，主要研究方向为微电源，海洋能发电和传感器技术等。E-mail:du_xzh@163.com