基于膨胀波的充水皮筏波能发电装置基础实验及粒子流固耦合水动力学研究

Hydrodynamic study on the flexible structure of wave energy power generation equipment is the theoretical foundation and technical support for developing marine renewable energy.This study is proposed by theoretical analysis, experimental study and numerical simulation method, which based on bulge wave generation in water-filled kayak devices. From the point of changing the material properties, wave parameters, structure scale, and energy conversion, a series of physical model experiments are carried out comprehensively and systematically on wave energy power devices. The overall form of flexible structure, power generation mechanism and hydrodynamic law are realized. Structure type and spatial layout of wave power equipment are put forward in harmony with the natural ocean, and the new wave energy generation mechanisms are formed for the practical application..Based on the original framework of SPH meshless method, a immersed boundary method is introduced to deal with the deformation of flexible structures and coordination of their interfaces, numerical discretization scheme for incompressible fluid and compressible soft elastic structure interaction are put forward. Free surface are processed with density function method, and large eddy simulation is introduced for fluid turbulence model. SPH theory method and numerical simulation technology is established, which can accurately depict the interaction on nonlinear wave and flexible elastic structural, dynamic response mechanism and safety performance analysis method on wave power generation systems are obtained under the action of ocean dynamic environment.

开展柔性结构波能发电装置的水动力学研究，是海洋可再生能源建设和发展的理论基础和技术支撑。本研究拟通过理论分析、实验研究和数值模拟等手段，以基于膨胀波的充水皮筏波能发电装置研究为主线，从改变材料属性、波浪参数、结构尺度和能量转化机构等角度入手，全面系统地开展柔性皮筏波能发电物理模型实验研究。完成柔性结构发电装置的总体形式、发电机理、水动力作用规律研究。提出与海洋自然和谐的柔性波能发电结构形式和空间布局方案，形成可实际应用的波能发电机制。.　　在已有SPH无网格框架基础上，引入浸入边界法处理柔性结构物扩张形变与流体界面的协调问题，提出适用于不可压缩流体和柔弹性结构耦合作用的数值离散格式，应用密度函数法处理自由表面，引入大涡模拟于流体湍流模式，建立能准确刻画非线性波浪与柔弹性结构粒子流固耦合作用的SPH方法理论模式与数学仿真技术，获得波能发电系统在海洋动力环境作用下的动力响应机理和性能分析方法。

本项目以基于膨胀波的充水皮筏波能发电装置研究为主线，建立了柔性、大变形波能发电系统水动力分析的理论和方法。全面系统地开展柔性皮筏波能发电物理模型实验研究，采用SPH方法建立了能准确刻画非线性波浪与浮式储水结构耦合作用的水动力学特性分析的理论模式与计算机模拟系统，获得了波能发电系统在海洋动力环境作用下的动力响应机理分析方法，设计、形成了一种海洋柔性皮筏波能发电装置。.1)完成了海洋柔性结构波能发电系统的总体布置概念研究，研究了不同循环载荷作用下柔性管内水体传播和膨胀波增强的可行性，确定了柔性材料厚度和发电装置形式。.2)在大型海洋环境水槽中进行单管独立结构和组合式柔性皮筏物理模型试验，完成不同波浪参数、结构物强度和垂向位置下柔性结构物的运动形式和动力响应测试试验，获得了不同组合形式下波能捕获率。.3)通过CUDA实现了SPH方法在GPU上加速运算，解决了传统的SPH算法本身存在着边界粒子计算精度低和张力不稳定的固有缺陷，改善了状态方程和固体边界处理方法，建立了复杂结构流固耦合作用的波浪数学模型，实现柔性结构波能发电装置流固耦合模拟。.4)采用SPH方法准确模拟了波浪作用下储水浮动水槽的运动过程和水槽内外部水体的运动形态。获得了不同工况下储水浮体结构的运动轨迹。将SPH与FEM相结合，进行了波浪作用下大变形柔性硅胶管聚波性能的模拟研究。.5)研制出一种与海洋环境和谐共存的柔性皮筏波能发电系统，形成了可实际应用的实验室工程样机，构建了合理的波能发电组群设计理论体系。