波浪能自供电生态浮标体设计与分析

杨志乾，孙强，王世明，王鹏波，李华南

摘 要：基于前期传统型浮标设计存在的问题，文章提出了一种椭球型波浪能自供电浮标标体设计结构。通过用UG软件建立椭球型浮标、圆柱形浮标和圆锥形浮标模型，利用ICEM CFD优越的网格划分技术，并导入Ansys AQWA模块中，采用RAO数值响应法，得到不同波浪入射角下，垂直与水平响应仿真图。从图中分析得到椭球型浮标随波效果最好，同时可利用宽频响应时间实现波浪能发电。该仿真研究方法可为同类浮标仿真研究提供参考。

关键词：波浪能；自供电；椭球型浮标；仿真分析

中图分类号：TP391.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）06-0107-03

Abstract： Based on the problems existing in the previous traditional buoy design， an ellipsoidal wave energy self-powered buoy body design structure is proposed in this paper. The model of ellipsoid buoy， cylindrical buoy and conical buoy is built by UG software， and ICEM CFD's superior mesh generation technology is used to import Ansys AQWA module. Using the RAO numerical response method， the vertical and horizontal response simulation diagrams of different wave incident angles are obtained. The result shows that the ellipsoidal buoy has the best effect with wave， and the wave energy generation can be realized by using the response time of wide frequency. The simulation research method can provide reference for the similar buoy simulation research.

Keywords： wave energy； self power supply； ellipsoid buoy； simulation analysis

引言

自20世纪90年代以来，海洋浮标研究已有三十多年，浮标研究与应用多集中在海洋水文气象浮标、波浪浮标、海洋光学浮标、海洋水质监测浮标[1]。近几年来，江河湖泊环境问题成为国家重点关注问题，生态浮标应运而生。生态浮标是一种可搭载水文、水质、生态等监测仪器的漂浮式自动化平台，广泛应用于在江河湖泊与海洋[2]。标体结构具备抗风浪、耐腐蚀等特点；数据监测必须具有长期、连续、全天候监测等特点[3]。为满足浮标长期供电需求，在设计时，采用自供电技术，该技术多数采用太阳能技术、风能及混合技术，少部分采用波浪能与潮汐能供电技术。本文研究一种波浪能自供电生态浮标，增加了定位于可生降的功能，完成“一种波浪能自供电定位式可升降生态浮标”授权专利。重点研究该浮标体在搭载多种功能为前提，整个标体结构基于Ansys AQWA流体动力学评估软件模拟风浪作用下的稳定性。

1 浮標体设计方案

该波浪能自供电浮标的理想状态是标体下方浸没在水中，利用波浪波动推力完成发电，浮于水面上方的标体尽量避免风力的干扰，以达到稳定状态。因此提出了一种自供电、定位、可升降及剖面生态测量浮标设计方案。如图1所示。

整个浮标分为浮标体、波浪能发电装置、可升降装置三个关键部分。浮标外体由端盖12、壳体8、导流罩3构成，壳体为椭圆形，自身带有浮力，整个壳体中心部分呈空心状，导流罩3上表面贴合浮标下壳体，端盖12的外部上安装有风力传感器10和卫星天线11，端盖内部安装有一个通信模块9。浮标体内部装有直线电机13与导流罩3构成波浪能发电装置，导流罩下面安装有可升降装置。

浮标体采用椭球形，不同于圆柱形和锥形，是为了更好的利用椭球型外壳，使其与增速导流罩外表面完全贴合，达到增加流速的目的。直线电机的长度决定椭球型标体的短轴，导流罩的长度决定椭球型标体的长轴，长度与导流罩扩口大小是直线电机的发电功率的关键因素，即发电功率决定标体的大小。

2 浮标体仿真对比分析

2.1 UG三维建模

为了分析椭球形浮标体与传统圆柱形、锥形标体的差异性，拟通过UG软件分别建立椭球型浮标、圆柱形浮标、锥形浮标三维模型，利用Ansys AQWA进行仿真对比分析。在仿真实验设计时，假设浮标体内部安装设备布局合理，不对浮标体产生影响，椭球型的长轴、圆柱形底面直径、圆锥形最大圆面直径三者尺寸保持一致，椭球型的短轴、圆柱形高、圆锥形高三者尺寸保持一致，三者均保持高度1/2以上浮于水面。

模型建立时，需考虑在关键尺寸比例不变的基础上，尽可能简化模型，方便仿真计算。3种模型如图2所示，其长短轴尺寸为200cm*110cm，运用UG软件质量评估功能三种浮标体水下部分体积分别约为1259781cm3、1727000cm3、1034761cm3。

2.2 ICEM划分网格

网格划分的好坏直接影响仿真计算结果的好坏，ICEM CFD作为专业的CAE前处理软件，其网格划分结果受到业界普遍认可，另外其可导入多种三维软件模型和为上百种后处理软件提供接口。划分网格时，尽量使用可快速计算的结构网格，对于不规则的椭球型采用混合型网格，由于四面体网格不能很好地描述圆弧的边缘特征，尽量少用四面体网格描述圆弧，在生成四面体网格后，再使用三棱柱网格细化圆弧边缘[4]。剖切网格，水下部分网格划分结构如图3所示。

2.3 AQWA处理

Ansys AQWA软件作为结构流体动力学评估软件，能够模拟不同时域与频域的不规则波、随机波等波浪推力。通过模型对于波浪推力的垂直与水平响应程度，来判断该浮标体结构设计的合理性。导入ICEM网格，设定重量、重心以及惯性力矩、波浪方向、频率、间隔等浮标体参数。

RAO是指浮体在单位规则波幅作用下的浮体响应，RAO数值越大，随波运动幅值就越大。其在简谐波下随时间变化的响应函数[5]如下：

（1）

其中A-入射波幅值，H（？棕，？茁）-传递函数。

仿真数据选择0°，30°，60°，90°浪向角，则对浮标体的横摇RAO和垂荡RAO进行水动力分析比较。仿真结果如图4、5、6所示。

从图4、图5、图6可以看出：椭球型的最大垂直响应值约为1.35，最大横摇响应约为115；圆柱形的最大垂直响应值约为1.75，最大横摇响应约为135；锥形的最大垂直响应值约为1.85，最大横摇响应约为155。椭球型的响应值最小，说明该型浮标体随波运动波动较小，即波浪对其影响小。其结果较好，圆柱形次之，锥形最差。另外椭球型的横摇响应频率宽度在2～4.5之间，频域宽度比其他两种宽，说明浮标体受到大幅值波浪作用下，能够吸收波浪推力，并缓慢释放，可利用此点实现波浪能发电。综上所述，椭球型浮标具有良好的随波性能，该专利在最初设计时，结构与布局合理。

3 结束语

基于前期传统型浮标设计存在的问题，本文提出了一种椭球型波浪能自供电浮标标体设计结构。通过用UG软件建立椭球型浮标、圆柱形浮标和圆锥形浮標模型，利用ICEM CFD优越的网格划分技术，并导入Ansys AQWA模块中，采用RAO数值响应法，得到不同波浪入射角下，垂直与水平响应仿真图。从图中分析得到椭球型浮标随波效果最好，同时可利用宽频响应时间实现波浪能发电。该仿真研究方法可为同类浮标仿真研究提供参考。

参考文献：

[1]王鹏，胡筱敏，熊学军.新型表层漂流浮标体设计分析[J].海洋工程，2017，35（06）：125-133.

[2]陈鹿，崔维成，潘彬彬.深海剖面测量浮标节能研究[J].中国造船，2017，58（03）：128-135.

[3]赵聪蛟，何志强，周燕.浙江省海洋水质监测浮标设计与实现[J].海洋技术学报，2015，34（05）：37-42.

[4]王波，李民，刘世萱，等.海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势[J].仪器仪表学报，2014，35（11）：2401-2414.

[5]曲少春，郑琨，王英民.圆柱形浮标运动分析与仿真[J].计算机仿真，2010，27（06）：363-367.