新型浮力摆式波浪能装置的水动力性能研究及优化设计

Ocean wave energy is clean and renewable. Exploitation of wave energy increases energy supply, improves ecological environment, enhances the capacity of marine resource extraction, serves island residents and border military troops. Hydrodynamic study and optimum design of a wave energy convertor (WEC) are the keys to increasing the efficiency of wave energy exploitation. .This project will, through extensive study on the hydrodynamic performance, to optimize the design of a newly developed bottom-hinged flap WEC. The new WEC was put forward in the consideration of wind-wave dominated and typhoon-frequent- occurring sea-states of China. The performance of the WEC will be investigated through the combination of theoretical analysis, numerical simulation and physical model tests. An accurate and efficient fully-nonlinear time-domain numerical model will be developed for analyzing the flap WEC. Large scale water flume and water tank model tests will be conducted to investigate the influence of the near-shore topography, the tidal current and the variation of wave spectrum on the hydrodynamic performance of the WEC. The compound form method, which is a mechanical optimization method, will be implemented into the optimum hydrodynamics design of the bottom-hinged flap. .The project is of great importance in the hydrodynamic analysis of flap-type WEC and its engineering application. Successful implementation of this project will provide important design guidelines for constructing the demonstrative prototype of new-style bottom-hinged flap WEC.

海洋波浪能是一种清洁的可再生能源，波浪能开发能够增加能源供应，改善生态环境,增强海洋资源开发能力，服务海岛居民和边防驻军。针对应用海域的海况条件进行水动力性能研究和优化设计，是提高波浪能装置波能利用效率的关键。.项目拟对申请人提出的一种新型浮力摆式波浪能装置进行水动力性能研究和优化设计，该浮力摆结构的提出充分考虑了我国沿海风浪为主、台风频发的海况条件。将采用理论分析、数模计算、物模试验相结合的方法开展研究，开发适用于摆式波浪能装置水动力计算的高精度、高效率的完全非线性时域模型，开展大比尺水槽试验和水池试验，系统研究近岸地形、潮流、波浪谱形变化对装置水动力性能的影响。将机械优化设计方法- - 复合法引入波浪能装置水动力性能的优化设计。.本项目在摆式装置水动力性能的分析方法和实际工程应用上都具有重要意义，其成功实施将能为新型浮力摆式波浪能装置的示范建设提供重要的设计依据。

本文针对我国海况条件，采用理论分析、数值模拟和模型实验相结合的方法，系统地研究了浮力摆式波浪能装置的水动力性能，着重分析了PTO阻尼特性和参数变化对装置水动力性能的影响。. 基于线性波理论推导了波浪对浮力摆作用的二维解析解，采用解析解研究了浮力摆装置的基本动力特性，分析了水深、板宽、板厚、板密度等参数对装置水动力性能的影响。. 采用频域势流模型，分析了水深、板宽、板厚和板密度4个参数对装置水动力性能的影响，着重讨论了波周期5.0s左右的情况，针对两种典型阻尼条件进行了对比分析。通过解析方法讨论了摆板密度对装置水动力性能的影响，提出了最佳密度的概念，给出了存在最佳密度的频率区间，并针对我国的典型海况进行了装置水动力性能的简要优化分析。. 采用时域势流模型分析了恒定PTO阻力矩（一种典型的非线性阻尼）条件下浮力摆装置的水动力性能，并简要分析了浮力摆的受力情况。.研制了浮力摆装置的物理模型，首次采用磁粉制动器模拟波浪能装置的PTO阻尼。通过大比尺水槽试验分析了浮力摆的固有周期、波能功率的非线性影响、PTO阻尼特性等，研究了规则波条件下浮力摆摆幅、转换功率和俘获宽度比随波况、激磁电流的变化情况，讨论了波幅、水位变化和摆板密度对装置水动力性能的影响，并简要分析了不规则波条件下装置的水动力性能以及摆板表面波压力的情况。