筏式波浪能消能装置水动力特性的研究

The hydrodynamic behaviour of raft-type wave energy harvesting and wave reducing device is studied by using the combined method of theoretical analysis, numerical simulation and physical test. Based on turbulence theory, nonlinear floating structure motion theory and fluid-structure dynamic interaction, a mathematical model is established for the fluid-multiple structure-damper coupling system to reveal the dynamic behaviour of raft-type wave energy harvesting and wave reducing devices. The mechanism of interaction among waves, wave energy harvestor and damping system is investigated. Variation of wave energy dissipation efficiency, wave transmission rate and infrasound with wave parameters, current parameters, damping coefficients and device's parameters is explored. Optimization theory for the raft-type device is presented. Operational characteristics of small scale system is studied to reveal a way how to increase the efficiency of wave enrgy dissipation，to decrease wave transmission rate and infrasound level. Key problems for wave energy dissipation utilizing raft-type wave energy dissipators are solved by using the combined methods of theoretical analysis, numerical simulation and small scale model tests in order to increase wave energy dissipation rate and decrease infrasound level, this study has significant scientific importance and application.

采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法，对波浪环境中筏式俘获波浪能消减波浪装置的水动力特性进行研究。基于紊流理论、非线性浮体结构运动理论和流体-结构动力相互作用理论，建立流体-多结构体-阻尼系统耦合的数学模型，揭示在复杂波流条件下筏式俘能消波装置的运行特性；研究波浪、波浪能俘获器和阻尼系统相互作用的机理，探索波浪要素、水流要素、阻尼特性和装置物理和几何特性对装置消能率、波浪透射率的影响规律；提出筏式俘能消波装置系统的优化理论，优化俘能消波装置；研究小比尺波浪能消能装置的工作性能，进一步揭示提高消能效率、降低波浪透射率和次声波的途径和方法。通过理论分析、数值仿真和小比例实海况试验等手段解决筏式俘能消波装置的关键技术问题，提高俘能消能效率和降低次声波，具有重要的科学意义和巨大的应用价值。

除海洋、湖泊、江河等水面上由风引起的表面重力波外，还有其他众多扰动产生表面波，如泄洪消能中水流经溢洪道所产生的挑流，挑流水舌砸进消力池后形成了蕴含较大能量的波浪，这些波浪会对人们的正常生产活动乃至生命安全造成影响，波浪所产生的次声波还会对人们的正常生活活动造成不利的影响。因此人们迫切想要消除这种引起各种危害的波浪。本项研究旨在研发出一种简单有效消除波浪的装置，具有特别重要的意义。.本项研究基于紊流理论、非线性多浮体结构运动理论，建立流体-多结构体-阻尼系统耦合的数学模型；探索波要素、俘能器物理几何特性和阻尼系统参数对装置的波浪透射率和消能效率的影响规律；结合流体-多结构体-阻尼系统耦合的数学模型，优化筏式俘能消波装置系统；在波流水槽中对该装置样机进行物理试验，进一步揭示提高俘能和消波效率的途径和方法。.通过研究，提出了具有自主知识产权的铰接浮体式俘能消波装置；构建了波流环境中非线性运动浮体、粘性流体、动力耗散系统和约束系统耦合的数学模型；采用动网格技术更新数值模型中铰接双浮体位置和流体网格，在流体-结构-动力耗散系统-约束系统复杂相互作用中实现了流体与结构间的全耦合；揭示了波浪透射率随阻尼系数变化主要是受动力耗散率随着阻尼系数变化的影响，且动力耗散率和波浪透射率随阻尼系数的变化规律相反；首次对不同长度双浮体装置进行了物理试验，发现总长相等，前后浮体长度比相反的装置的波浪能耗散率差异明显；通过数值模拟和物理试验，验证了铰接浮体式俘能消波装置的波浪能耗散和波浪消减的技术可行性；首次对比了实心和空心双浮体装置的消波机制，揭示了二者在波浪反射、透射、耗散以及动力耗散方面的差异；比较了粘性流体和无粘流体下双浮体装置的性能。