升沉型振荡浮子波能装置能量转换性能研究与优化

Utilization of ocean resources promoted the development of large scale equipement in the deep sea, which also proposed the demands of electricity supply. Oscillating-body type devices are called the third generation wave energy convertor in Europe, which could help to realize the innovative application of "deriving energy on spot". Traditional studies have used too many simplifying assumptions,which caused the movement and energy converting patterns could not be discovered for design assitance. The present proposal aims at practical electricity supply for deep sea equipments and devices, it takes the heaving body wave energy convertor as the investigating object. Hydrodynamics and energy converting mechanism of oscillating body under various constrained conditions will be studied through physical model test. The governing parameters will also be picked out for validation of numerical simulations. Based on the potential fuctions and RANS equations CFD softwares, 3D numerical simulation model for oscillating body is to be established by secondary development. The realization of strong nonlinear integrated intercation between incident waves and wave energy devices in the numercial model is regarded as the principle technology. The computational studies will expand the research domains, analyze the dynamic responses of the devices to find out wave energy converting mechanism. The database software will be compiled for designing and optimization of heaving body wave energy converting devices.

海洋资源的开发利用推动了海上仪器设备的深海化与大型化，并对其电力支持提出了更高的要求。利用振荡浮子为代表的第三代机械液压型波能装置可实现"海电海用、就地取电"的创新性应用。早期传统研究由于过多简化假设导致无法准确反映装置的运动特征与能量转换规律，难以为装置设计奠定有效的理论基础。本项目以深海大型仪器设备供电的工程研发诉求为出发点，以升沉型振荡浮子波能装置为研究对象，通过水工物理模型试验，考察不同约束条件下振荡浮子的水动力响应特征与能量转换规律，考察并遴选出影响装置工作性能的关键参量。分别以基于势函数模型与基于RANS方程的CFD 软件为基础，通过二次开发，构建振荡浮子装置三维数值模拟计算模型，以波浪与装置强非线性耦合作用数值实现为关键技术，有效拓展研究范围与内容，分析装置动力响应特征，揭示装置能量转换机理，构建数据库优化设计软件，为实用化开发升沉型振荡浮子波能供电装置奠定坚实的理论基础。

利用振荡浮子作为发电装置符合我国沿海地区的波浪能分布特征，且其结构型式简单，便于加工制造与海上投放，具有较好的应用前景。该类装置研发的主要科学问题是波浪与浮子的相互作用、最优能量捕获的估算、锚固安全及后方液压系统的优化等。本项目针对上述问题开展了理论分析、模型试验、数值模拟等研究工作，得到了规律性结论。.项目首先基于装置捕获能量的原理，构建了线性负载作用下的数学模型，从理论上分析了模型的水动力性能，导出了装置的最高功率捕获及最优负载估算表达式。以此为基础，项目分别搭建固定式及漂浮式装置性能测试平台，开展了捕能机构水动力性能试验及能量转换机理试验，讨论了波浪要素、捕能机构形状、传动与转换方式、锚固方法等因素对装置工作性能的影响，得到了装置捕能机构及锚固系统的优化型式，确定了液压式能量转换系统的优选方案。基于试验结果，项目利用fluent、FLOW-3D等水动力软件，通过外接程序编写用户自定义函数，构建了用于描述浮子运动的数值水槽，探究了装置水动力及能量转换性能；采用AQWA软件构建装置主体结构及锚固系统模型，结合MATLAB计算编程设计，研发了装置运动响应模拟平台与优化设计软件，实现浮子及潜浮体尺寸、锚链数量等参数的自动优选计算。项目结合青岛斋堂岛海域波浪条件，优化了工程样机的结构设计及液压控制策略方案，确定了捕能机构选型及阵列布置型式，完成了锚固系统设计。.本项目共发表高水平论文18篇，其中SCI收录论文6篇，EI收录论文3篇，中文核心5篇；授权发明专利2项，实用新型专利1项；授权软件著作权1项。项目取得了预期的原创性结果，完成了全部考核指标要求。.本项目研究成果直接服务于中国海洋大学自主研发的“10kW组合型振荡浮子波能发电装置”、“100kW组合型振荡浮子波能发电装置”及“波浪能网箱综合发电平台”的设计与优化，为升沉型波能发电装置的实用化研发提供了参照，具有较高理论与工程实用价值。