【摘 要】
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波浪能是一种分布广、无污染、储量大的海洋可再生能源。波浪能的开发利用是当前可再生能源领域重要发展方向。振荡水柱式波能转化装置（OWC装置）因具有抗浪性好,故障率低,使用寿命长等优势,在众多的波能转换装置中备受关注。目前国内外已建成的固定岸式OWC装置仍存在建造成本高,实际海况中波浪的不稳定性使其转换装置常处于非设计状态,总体转换效率不高等缺陷。本文基于固定岸式OWC装置与海岸工程的沉箱式防波堤有相
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波浪能是一种分布广、无污染、储量大的海洋可再生能源。波浪能的开发利用是当前可再生能源领域重要发展方向。振荡水柱式波能转化装置（OWC装置）因具有抗浪性好,故障率低,使用寿命长等优势,在众多的波能转换装置中备受关注。目前国内外已建成的固定岸式OWC装置仍存在建造成本高,实际海况中波浪的不稳定性使其转换装置常处于非设计状态,总体转换效率不高等缺陷。本文基于固定岸式OWC装置与海岸工程的沉箱式防波堤有相似的结构和受力条件的特点,将结构稳定性和景观效果良好的双圆筒沉箱与OWC装置结合,设计了一种双圆筒沉箱直立堤兼扇环截面OWC装置的新型结构,并采用物理实验与数值模拟相结合的方法,对双圆筒沉箱兼扇环截面OWC装置波能转换效率的主要影响因素及其关联规律和结构受力等特性开展了研究。物理模型试验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的海洋环境波浪水槽中进行。采用了测气口侧壁和气口中间位置的压强换算气口喷咀处空气流量的方法（压强法）,该方法不受气室内水面运动的不均匀性和气口处吸气时气流对其下方水面的扰动影响,比传统测气室内水位换算的气体流量时间过程线更准确。通过物理模型试验数据的分析得到周期在0.87s～1.11s,波高在0.03m～0.06m,水深在0.3m～0.35m工况下,双圆筒沉箱直立堤兼扇环截面OWC装置的PTO阻尼系数和波能转换效率。在本文实验研究的范围,开口率为2.22%的情况下,最佳状态的波能捕获效果可达到80.7%。数值建模基于OpenFOAM开源计算流体动力学软件。首先建立了经物理模型试验验证的二维OWC数值模型,研究了OWC装置几何参数与运动响应之间的关联关系,给出了气室内水体运动达到波能转换效率最佳状态的气室前墙相对入水深度和气室相对宽度的指数拟和公式。在二维数值模型的基础上,进一步建立了双圆筒沉箱防波堤兼扇环截面OWC装置三维数值模型,空间离散采用了结构化网格和非结构化网格相结合的网格离散方法,并通过物理模型实验数据验证了数值模型的有效性。应用所建立的三维数值模型进行双圆筒沉箱防波堤兼扇环截面OWC装置的数值实验,分析了不同水深和不同波浪周期条件下,气室内外水-气体运动与波能转换效率最佳状态关联关系;波浪能的返回、转换与能量损失的比例关系;PTO阻尼系数优化和结构受力等。本文研究结果显示在相同条件下,扇环截面OWC装置比矩形截面OWC装置波能转换效率更高,其圆弧面前墙结构受力小与整体景观效果好,且可以通过优化PTO阻尼系数,进一步提高扇环截面OWC装置波能转换效率。研究工作对促进我国波浪能的商业化利用和发展环境友好型的水工建筑物等有重要的意义。
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