“海大1号”摇臂式波浪发电装置水动力性能研究

2021-03-29赖文斌李德堂谢永和申宏群陈丽雪梁小飞

船舶力学 2021年3期

赖文斌，李德堂，谢永和，华军，申宏群，陈丽雪，梁小飞

（浙江海洋大学船舶与机电工程学院，浙江舟山316022）

0 引言

我国波浪能储量丰富，同时波浪能的能量密度是风能的4～30 倍[1]，因此，如何利用波浪能解决岛城海水淡化用电以及为电网未覆盖的有居民海岛提供充足的电力是我们波浪能研究人员亟待解决的问题。在纵多波浪能发电装置中，摇臂式波浪发电装置因结构简单，建造时间短，投资资金少，发电效率高，生存率高等诸多优点而具有很好的发展前景[2]。该装置不仅可以安装于近岸，还可以安装在离岸深水区，可以根据当地的实际海况来选择安装地址。摇臂式波浪发电装置由波浪能收集模块、操作平台、电力储存、电力输出系统、液压控制系统和桩脚等几部分组成，如图1所示。

“海大1 号”是基于“海院1 号”自升式波浪发电装置[3]，再次自主研发的波浪发电装置。本次研发的摇臂式波浪发电装置克服了以往振荡浮子式波浪发电装置只利用波浪上下方向上能量的缺陷[3-5]，采用摇臂式有效利用了流体势能和流体动能两部分能量，使波浪能的利用进一步提高。该装置采用了双向液压传动系统，浮子向上运动时利用波浪的波浪能，当浮子向下运动时利用浮子的重力势能，无论浮子向上还是向下运动都能推动液压系统连续工作。此外，装置还设置了液压蓄能器和流量自动调节系统，用于保障电力的稳定输出。装置液压系统原理如图2所示[6]。

图1 试验平台总体设计图Fig.1 Overall design drawing of the test platform

图2 液压系统原理Fig.2 Hydraulic system principle

目前而言，振荡式波浪发电装置的种类相对很多，但原理基本都是通过波浪能收集模块（一般为浮子）先将波浪能转换为物体的机械能，波浪能收集模块再将自身的机械能转换为其他形式的能量，最后通过层层转化最终转化为电能[7]。因此，浮子的水动力性能研究在整个波浪发电装置领域显得尤其重要。该研究先以CFD 水动力仿真软件对不同形状浮子进行水动力性能模拟，进而确定了最佳的浮子形状；在最优浮子形状的基础上，进一步用CFD水动力仿真软件研究了波长与浮子尺寸之间的关系对浮子水动力性能的影响；之后用1∶1的物理模型试验去验证仿真结果的可靠性，并测得不同波长与浮子尺寸比下浮子的取能效率。该研究得出的浮子水动力性能研究结论可为其他波浪发电装置提供参考，具有很好的工程应用价值。

1 浮子运动方程

浮子在波浪上的运动是以刚体在无限介质中的运动为基础，运用质心运动定理和绕质心的动量矩定理[8]，可得

浮子在波浪上摇荡运动时，考虑与浮体摇荡运动相关的那些流体作用力时，若假设流场中压力P为已知，则作用于浮子的外力和外力矩分别为

式中，ni为广义法线矢量的分量，S为物体的瞬时湿表面。这时浮子的运动方程可记为

式中，i,j,k=1,2,3。于是，精确到一阶，运动方程可记为

将式（4）进一步处理，引入表达式：

式（4）可缩写成如下形式：

对式（7）进行展开，考虑浮子摇荡运动对流场的影响，求解辐射势ϕI带来的水动力系数、附加质量Uij和阻尼系数λij，以及浮子摇荡运动流场对浮子的恢复力之后，浮子的运动方程为

式中，mij为浮子质量，uij为附加质量，λij为阻尼系数，cij为为恢复力系数，为佛汝德-克雷洛夫力，为波浪绕射力。

2 浮子水动力数值分析

2.1 浮子形状研究

浮子形状是影响浮子捕获波浪能效率的重要因素，因此，浮子的形状研究必不可少。根据振荡浮子式波浪发电装置的现状[9-10]，该文选取了四种常见而典型的浮子形状为研究对象，形状如图3 所示，形状参数见表1，其目的在于开发设计出一种水动力性能更优的浮子形状从而提高浮子的取能效率。本文采用CFD软件系统的gambit模块建立水动力模型，利用fluent中建立仿真水池并进行仿真计算。

图3 四种典型形状浮子Fig.3 Four typical shaped floats

表1 四种不同浮子参数Tab.1 Parameters of four different floats

建模过程中，为了保证不同浮子之间水动力性能的可对比性，四种浮子在静水状态下的排水体积相同，且四种浮子下降相同深度时排开水的体积相同。浮子在入射波作用下运动，水动力性能的好坏最直观地体现在浮子沿Z方向的运动上。因此该研究通过CFD水动力仿真软件模拟了不同形状的浮子在相同波浪作用下的运动情况，通过分析不同形状浮子在Z 方向上的运动曲线来评估浮子水动力性能的好坏。浮子形状研究当中，采用波长为9.6 m，波幅0.1 m，周期为6 s的线性规则波。

浮子CFD流场模拟结果如图4所示。

图4 四种浮子流场模拟Fig.4 Flow field modeling of four kinds of floats

浮子CFD仿真运动计算结果如图5所示。由图5四种不同浮子形状Z方向位移曲线可知：在浮子质量、排水体积及波浪参数相同的情况下，四种浮子的运动规律基本一致；由图6四种浮子形状Z方向位移幅度可知，浮子形状②的Z方向位移幅度最大，因此我们可以推出浮子形状②的水动力性能最好。

图6 四种浮子形状Z方向位移幅度Fig.6 Displacement amplitude in Z direction of four float shapes

2.2 波长与浮子尺寸关系研究

目前很多关于浮子水动力性能的研究都是基于浮子吃水、系统负载和波高等几个方面[11]，但除了这些因素影响浮子水动力性能外，波长与浮子尺寸关系同样影响浮子水动力性能的好坏。如果浮子尺寸相对波长来说过小，则浮子上下运动一次的周期就会很长从而降低发电效率；如果浮子尺寸相对波长来说过大，则有可能造成两个及若干个波峰同时出现在浮子上，导致浮子运动混乱和振幅降低。因此，对于波浪发电装置，波长与浮子尺寸关系的研究也显得格外重要。本文以最优浮子形状②为研究对象，通过CFD水动力仿真软件模拟不同波长与尺寸比的浮子在波浪作用下的运动情况，通过分析浮子在Z方向上的运动曲线可以推断出浮子水动力性能的好坏。

波长与浮子尺寸比的参数设置如表2所示。

表2 波长与浮子尺寸比Tab.2 Wavelength to float size ratio

利用CFD 水动力仿真软件，以时间为横坐标，浮子垂直方向上的运动幅度为纵坐标，计算并绘制出波长与浮子尺寸之比在1～5范围内的九种运动曲线图，如图7～8所示。

图7 九种浮子Z方向运动曲线Fig.7 Motion curves of nine floats in Z-direction

由图7 九种浮子Z 方向运动曲线可知，当波浪与浮子尺寸比在1～3 之间时，浮子在垂直方向上的运动是杂乱无章不规则的；当波浪与浮子尺寸比在3～5 之间时，浮子在垂直方向上的运动是规则有序的正弦曲线；由图8 九种浮子Z 方向运动幅度曲线，我们可以得知，当波浪与浮子尺寸比为4 时，浮子在垂直方向上的运动幅度最大为0.21 m。因此，可以推出波浪与浮子的最佳尺寸比为4。