随着当前能源结构的变革,可再生能源正发挥着前所未有的重要作用。但可再生能源固有的间歇性、随机性和低能量密度的特点极大地阻碍了其高效可靠的利用。这些由可再生能源产生的波动的电能和波动的电力负荷之间存在着严重不平衡。储能技术是解决这种不平衡问题最有效的方法之一,水下压缩空气储能技术就是一种适合在沿海地区、海岛,海洋平台等区域建设的,规模化的可再生能源存储技术,通过将压缩空气储存在水下储气装置中,可以利用海水的压力,保证装置内压力的相对恒定,但是装置在水下受到复杂海流的影响,有必要对其进行流体动力学分析和模态分析以保证其安全性和可靠性。针对在海洋环境中储气装置受海流影响容易引发结构失效等问题,本文主要研究内容如下:(1)基于CFD方法与前人实验结果,验证大涡模拟(LES)与k-ω SST湍流模型及参数设定、求解设置的准确性与适用性,以保证数值模拟结果具有较高的可信度。通过与实验结果中流向时均速度场、法向时均速度场和湍流强度场的对比分析,LES方法总体表现出更好的模拟精度,对流场形态及速度的计算结果更为准确,因此选择LES方法对储气装置进行数值模拟。(2)通过控制变量,建立球顶与平顶(对照组)的三维模型,基于LES方法研究了储气装置不同的端部形态对绕流流场的影响效果,研究内容包括长径比为7的圆柱和水下储气装置的端部形态对流场结构的影响特性。结果表明储气装置的球顶结构能够抑制装置顶部附近的回流现象,避免速度集中与端部附近小旋涡的形成与扰动,同时可以有效地利用下洗流扰乱侧向旋涡的规则形成与脱落,但是应该避免安装在海床柔软的区域以免由于下洗流冲击泥沙导致装置改变安装位置。(3)基于LES方法对装置处于不同流速的海洋环境中的绕流过程进行了数值模拟,通过对流场内各个方向上的时均速度分量(、、)、速度矢量、涡量等物理量的监测,对海流通过装置后的尾迹流场的流态特性及变化规律进行了对比分析,分析结果表明不同速度的海流通过装置后形成的流场特征相似,特征速度量值与特殊流域的范围与海流速度有关。绕流形成的旋涡具有明显的三维结构特征,包括装置背风面附近逐渐向底部扭曲的旋涡结构和背风面附近区域关于流场中面对称分布的旋涡结构等,侧向形成的旋涡在距离装置中心2倍直径处附近开始发生脱落,以横流方向升力系数、流场速度矢量和涡量的变化规律为依据,对旋涡脱落周期定性定量分析,结果表明该旋涡脱落的周期在100s左右,会对装置造成低频扰动。(4)研究了装置在不同海洋环境中所受到的流体力特性,通过对比分析各个工况下的升、阻力系数及其变化规律,经过统计得到了装置的升力与阻力系数分别为0.60和0.45,以此可以计算在不同流速海洋环境下装置所受到的流体力。(5)分别以材料、管路结构和壁厚为变量对储气装置进行模态分析。低阶模态下装置主要变形区在顶端,形变量在1.9～3.6mm范围内,高阶模态下变形位置在装置侧面腰部,形变量在2.7～5.0mm范围内。不同材料储气装置的固有频率差异较大,为30Hz～50Hz,经管路优化后固有频率为32Hz,不同壁厚的储气装置固有频率差别较小,其各阶振动频率都远大于涡脱频率,因此发生涡激振动的风险较低。随着壁厚的增加,最大形变量均有减小,固有频率随着壁厚的增加而增加,表现为装置整体结构强度越强,自由振动的形变量越小,固有频率增加。所得结果较为清楚地描述了水下储气装置在复杂海洋环境中的基本流体动力特征和基本结构特征,能够为储气装置的设计优化提供一定的理论依据。