浮式振荡水柱式波能装置的水动力性能研究和优化

Due to its geometrical and mechanical simplicity, oscillating water column (OWC) device has become one of the wave energy converters most widely applied in the world. With the farther development of ocean exploitation, the OWC application has been extended from onshore/nearshore regions to deeper water and open sea. Thus, the study on the hydrodynamics of floating OWCs attracts more attentions, in which the coupling of wave, air and the moored floating device is outrange of the present analysis method. In the present study, the separation technique of incident and scattering waves will be used to found a time-domain fully nonlinear numerical wave model at open-sea. The higher-order boundary element method combined with domain decomposition tehcnique and parallel computing is used to solve the boundary integral equation. A pneumatic equation was introduced to describe the air-water coupling inside the OWC chamber based on the first law of thermodynamics. The nonlinear FEM dynamic method is adopted to model the mooring lines. The fourth-order Runge-Kutta method is used to solve the motion equation. By performing physical and numerical tests, the effects of wave parameters, mooring stiffness and PTO damping on the hydrodynamic performance inlcuding capture efficiency, responses and variations of wave elevations are analyzed. The aim of the project is to reveal the hydrodynamic mechanism of wave interaction with a floating OWC device, establish correct analysis methods, and provide a reference for the optimization of hydrodynamic efficiency and device safety.

由于结构形式和力学性能简单，振荡水柱装置已成为世界上应用最为广泛的波能转换装置。随着海洋开发的不断深入，振荡水柱装置应用也从海岸和近海拓展到深水开敞水域，浮式振荡水柱装置水动力特性的研究也引起人们的重视。其中波浪、气体和系泊浮体间的耦合作用是研究难点，目前的分析方法尚不够完善。本研究将应用入、散波分离技术建立开敞水域完全非线性波浪数学模型，采用分区技术结合并行算法的高阶边界元方法求解边界积分方程，基于热力学第一定理引入气动方程对气室内气液耦合作用进行模拟，运用非线性有限元动力分析方法对系泊缆索进行模拟，采用四阶龙格库塔法求解结构运动方程。通过开展物理模型试验和数值模拟，分析波浪参数、系泊刚度和PTO阻尼等对振荡水柱装置波能转换效率、运动响应和波面变化等水动力性能的影响规律。课题的目标是揭示波浪与浮式振荡水柱装置作用的水动力学机理，建立正确的分析手段，为波能转换效率和结构安全最优化提供参考。

振荡水柱波能转换装置由于其力学性能和结构形式简单而被广泛采用，但更多应用于近岸区域。随着海洋开发向深远海进军，离岸浮式振荡水柱波能装置为海洋工程提供能源供应显得更为重要，然而该方面的研究工作开展的还不多。本研究针对离岸圆柱型振荡水柱波能转换装置的水动力性能开展了解析、数值和试验模拟研究，基于线性势流理论和特征函数展开技术建立了振荡水柱波能转换装置解析模型；基于入散射分离技术和时域高阶边界元方法，建立了浮式振荡水柱波能装置三维非线性数值模型；在海岸和近海工程国家重点实验室非线性波浪水槽中开展了不同工况下离岸振荡水柱波能装置模型试验。通过大量数值和模型实验，研究了装置几何参数、波浪参数、粘性阻尼和PTO阻尼、系泊刚度等对振荡水柱波能转换装置气室内波面、压强、水动力转换效率、运动响应等的影响进行了模拟研究，首次阐明了波浪非线性和水体粘性对振荡水柱波能装置水动力性能的作用机理，明确了PTO阻尼对波能转换效率和波浪荷载的影响机制。同时，提出了离岸式双气室振荡水柱波能装置概念并建立了分析模型，可以显著改善振荡水柱波能装置水动力性能；建立了阵列式振荡水柱波能装置数值模型，给出了阵列装置优化策略。研究成果发表期刊和会议学术论文61篇，其中SCI检索36篇，两篇论文入选国际知名期刊Coastal Engineering和Applied Ocean Research高被引论文。项目负责人也入选2019年爱思唯尔中国高被引学者，承办国际学术会议三次，受邀在国内学术会议上做大会主题报告/特邀报告11次，获批中美发明专利各1项，获得教育部自然科学二等奖1项。