模态分析法在波浪能装置水动力学研究中的应用

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波浪能作为一种储量丰富、广泛分布和相对能流密度大的海洋可再生清洁能源,日益受到各国越来越多的关注。波浪能发电装置的水动力学性能对于波浪能的俘获和对波浪能装置的安全运行具有重要影响。随着波浪能发电装置的不断发展,多运动体耦合结构的波浪能装置的水动力学计算成为新的问题和研究热点。本文采用模态分析法与基于简单格林函数的边界元法相结合的计算方法对具有多运动模态和多浮体耦合的波浪能装置在水动力学计算方面进行了研究。  本文的第一章分为三个部分,首先详细介绍了世界上近年来发展起来的比较有影响力的波浪能装置及其进展,并对各类波浪能发电装置的技术特点进行了分析,总结了各类波浪能装置的优势和劣势,对波浪能装置的发展过程和趋势做出总结和预测,说明多运动体耦合结构的波浪能装置发展的必然趋势。然后介绍了目前波浪能装置水动力学主流的理论分析和数值计算方法,并对各种计算方法的优势和局限性进行了介绍。最后说明本文的主要研究内容。  第二章给出了本文采用的数值模拟计算方法,在数值建模过程进行了详细的数学推导,并用该数值计算方法和不同文献中多种算例进行了计算和比对,从而验证了本文所采用的数值计算方法和理论分析的正确性。该数值计算方法首先利用摄动展开法将波浪能装置水动力学问题的定解条件线性化,建立线性系统;本文的计算方法特点就是在建立线性定解条件的过程中,通过速度势在柱坐标中特征函数展开式的近场表达式建立辐射面条件代替无穷远处的扩散条件来限制计算域,辐射速度势根据浮体间约束条件分解的浮体运动模态建立物面条件。在建立合理有效的定解条件之后,采用基于简单格林函数的边界元法建立计算域的边界积分方程,通过常数平面四边形单元对计算域边界面进行离散化建立系数矩阵,然后给出系数矩阵的详细求解方法,最后通过建立和求解波浪能装置的运动方程,得到波浪能装置的水动力学响应和俘获性能,从而建立了完整系统的数值计算方法。该方法可广泛应用于小波高的流场中波浪能装置的水动力学分析。其中波浪能装置由任意个数、任意形状的刚体,以任意耦合条件所构成。  根据上述波浪能装置的数学模拟计算方法,本文的第三章通过比较波浪能装置的水动力响应和捕获宽度比这两个指标,研究并优化了两个单浮体式波浪能装置和两个多浮体铰接式波浪能装置。并根据项目要求,本文的第四章对多浮体铰接式波浪能装置开展了模型试验,并与数值计算结果进行验证分析。最后对这些不同类型的波浪能装置的水动力性能进行的总结归纳,为后期同类型的波浪能装置设计及优化提供了指导意义。
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