振荡浮子入水冲击机理及其抑制方法研究

The oscillating buoy is widely-used in wave energy converters. During its operation, water impact causes plastic deformation and fatigue damage on the buoy, and consequently reduces the converter’s performance and lifetime. Current design method for the buoy is limited to the maximization of power absorption, without compensating water impact. This project aims to discover the dynamics model of oscillating buoy’s water impact, identify its failure modes and effects , and propose means of suppressing water impact on the buoy. The main contents are the following. (1) Establish a complete mathematical model of the water impact on the common buoys; the model reveals the analytic distribution of such impact elements as impact pressure and load. (2) Implement physical experiments of water impact on different oscillating buoys under still water and wave environment to verify the previous analytical results and research into the full impact of water impact on the buoys. (3)Propose effective methods and measures to suppress the negative water impact through geometry design, material selection, and active control of the buoy. This project will provide a new theoretical way to attack the challenge of water impact; the research results will improve performance and operating life of oscillating buoys, and promote the exploitation of wave energy technology.

振荡浮子是波浪能发电装置中常见的采能元件，在浮子工作过程中，入水冲击会造成浮子塑性变形和疲劳破坏，影响其工作性能和寿命。目前针对振荡浮子的设计优化主要以功率吸收最大化为优化目标，并未考虑入水冲击因素。本项目旨在揭示振荡浮子入水冲击的发展机理，阐明入水冲击对浮子的各种危害，提出抑制浮子入水冲击的方法。主要研究内容是：首先，针对典型形式的浮子，采用理论方法建立较为完备的浮子入水冲击数学模型，推导出冲击压强和冲击力等要素的解析分布；然后，在静水和波浪环境下，开展多种浮子入水冲击的物理模型实验，验证前述解析结果，并研究入水冲击对浮子的全面影响；最后，结合理论分析和模型实验结果，从浮子几何设计、材料选择、控制策略等方面探索抑制入水冲击的方法和措施。本研究将为传统的入水冲击难题提供新的理论求解思路，研究成果将提高振荡浮子的工作性能和运行寿命，促进波浪能发电技术的应用和推广。

振荡浮子在采集波浪能的工作过程中，底部会遭受入水冲击，从而影响其工作性能和寿命。本项目旨在通过理论分析、数值模拟和模型实验等手段，揭示振荡浮子入水冲击的机理，找到抑制浮子入水冲击现象的方法。本项目在执行期内较好地完成了计划研究内容，达到了预期目标。首先，基于von Karman和Vagner模型对二维圆锥形振荡浮子的自由落体入水问题建立了理论模型，获得了其冲击要素解析解，并通过引入浮子形状函数，将该建模和求解方法拓展应用到其他形状的浮子。第二，通过CFD数值模拟，对具有不同斜升角的圆锥形、具有不同纵横比的椭球形、圆柱形等振荡浮子的入水冲击问题进行了数值建模和仿真，获得了冲击压强、速度、加速度等参数的直观分布规律，发现斜升角较大的锥形浮子、纵横比较大的椭球形浮子更有利于抑制冲击。第三，设计开发了振荡浮子入水冲击实验台，对圆锥形、球形、圆柱形等浮子进行了大量的入水冲击试验，获得了浮子表面压强、浮子加速度的分布规律，并与模拟结果进行了定性比较。第四，基于前述模拟和实验结果，利用空气垫对冲击的缓冲作用，提出了在斜升角为0的竖圆柱形振荡浮子底面开槽的方法，模拟分析表明该方法对于抑制小斜升角浮子的入水冲击现象具有良好的效果。第五，针对振荡浮子经常工作的浅水和中等水深海域，提出了一系列有限水深波浪能功率的改进计算方法，即基于能量频率的零阶、一阶、二阶、三阶、四阶和五阶近似算法，与传统的深水算法相比，上述算法大大减小了波浪能功率的计算误差，从而为波浪能的准确评估和充分采集提供了理论依据，也为更精确地评估浮子所受的波浪冲击提供了理论指导。本项目的研究成果有望提高振荡浮子的工作性能和运行寿命，对于振荡浮子乃至波浪能发电系统的优化设计具有理论指导意义。