漂浮式浪流联合发电装置水动力耦合特性分析

Climate change and the global energy crisis make wave energy and tidal current energy has become a hot research topic. In order to improve the yield and quality and reduce the marine power device costs， this project proposes a floating wave-current hybrids system (OGH) which composes two-body heaving WEC and Gorlov vertical axis tidal turbine, and establish frequency / time domain simulation theory and method for the system. Considering the influence of turbine rotating and waves, coupling model and rapid design method for the OGH is established by converting the turbine flow loads to the hydrodynamic coefficients using the CFD method, linear frequency domain theory and boundary element method. nonlinear time-domain coupled numerical simulation method for the OGH is built on the rigid assumption base on blade element momentum theory, slender body theory and radiation-diffraction theory, the coupling mechanism and mechanical characteristics of wave energy device and tidal energy device is revealed. An integrated optimization design method for the OGH is built to achieve energy maximization. Considering the effects of PTO control strategy and turbine speed control strategy on hydrodynamic characteristics, an optimal synthesis control method is proposed. Model tests will be carried out to form the test and analysis methods of wave-current hybrids system, verify the reliability of the numerical algorithm. The project can provide technical support for the development of efficient, reliable and low cost marine energy devices.

全球气候变化和能源危机使得波浪能和潮流能成为研究的热点问题。为提高海洋能产量和质量并降低发电装置成本，本项目提出一种由双浮体振荡浮子式波浪能装置和Gorlov竖轴潮流能水轮机组成的漂浮式浪流联合发电装置（简称OGH），建立该系统水动力频域/时域计算理论与方法。考虑水轮机旋转和波浪影响，利用CFD方法和线性频域理论求得潮流能水轮机水动力系数，基于频域边界元方法建立OGH耦合模型和快速设计方法。应用叶素动量理论、细长体理论和辐射绕射理论，在刚体假设下建立OGH非线性时域耦合数值求解方法，揭示波浪能装置与潮流能装置的耦合机理和力学特征。以能量最大化为目标，建立OGH总体优化设计方法。考虑PTO控制策略和水轮机转速控制策略对水动力特性影响，提出OGH集成最优控制方法。开展模型试验研究，形成浪流联合发电装置试验测试和分析方法，验证数值算法可靠性。本项目将为开发高效可靠低成本的海洋能装置提供技术保障。

全球气候变化和能源危机使得波浪能和潮流能成为研究的热点问题。为提高海洋能产量和质量并降低发电装置成本，本项目研发了一种由双浮体振荡浮子式波浪能装置和Gorlov竖轴潮流能水轮机组成的新型漂浮式浪流联合发电装置（简称OGH）。针对OGH系统各部件及其与海洋环境间存在的复杂动力学和控制问题，开展了如下理论、数值模拟和试验研究。.基于垂直轴潮流能水轮机受迫振荡CFD数值模拟分析，应用傅里叶变换得到水轮机摇荡附加质量和附加阻尼频域级数表达式，分析了不同频率规则波中水轮机与平台耦合运动规律。基于特征函数匹配展开法，得到了变截面振动浮子的水动力频域半解析解，系统分析了浮子直径吃水比、PTO阻尼系数和锚链等因素对波能装置水动力性能的影响规律。.基于脉冲响应函数法建立了OGH系统线性时域耦合算法，基于多盘面流管法、面元法、细长体理论和三维集中质量法建立了OGH系统非线性时域耦合算法。分析了平台纵摇运动和纵荡运动对水轮机和振荡浮子水动力特性和功率特性的影响规律，探讨了平台运动与锚泊张力的耦合特性。基于OGH系统三维CFD数值模拟研究获得了系统流场特性，探讨了波浪能系统与水轮机系统的耦合机理。.基于广义搜索法建立了一种适用于长期海况和短期海况的振荡浮子系统参数优化设计方法。基于粒子群算法建立了一种OGH系统多目标多参数优化算法。应用波浪振子阻尼模型、自适应回归模型、卡尔曼滤波器和递归多项式系统辨识方法等提出三种波浪能非线性自适应模型预测控制方法。应用时变状空间模型推导并建立了垂直轴水轮机非线性优化控制方法。系统分析了OGH系统优化效果和控制机理。 .基于相似理论，应用海洋能装置设计方法，对OGH机电系统进行了设计和加工，并在拖曳水池中开展了浪流联合发电装置模型试验，获得了环境参数和结构参数对OGH系统运动特性、动力特性和功率特性的影响规律。.本项目建立的水动力学频域/时域计算理论与方法、优化控制方法和模型试验方法将为开发高效可靠低成本的海洋能装置提供技术保障。