曲 銘,于定勇,王世林,康 驍

(中國海洋大學 工程學院,山東 青島266100)

振蕩水柱式發(fā)電裝置(Oscillating Water Col u mn,OWC)有結(jié)構簡單以及性能穩(wěn)定的特點,是波浪能領域研究的重點之一。國內(nèi)外的相關學者在振蕩水柱式發(fā)電裝置領域已進行了若干的研究[1-10]。較早提出振蕩水柱發(fā)電裝置波能轉(zhuǎn)換的理論的是Evans[11],通過頻域線性波的理論將振蕩水柱氣室內(nèi)自由液面的運動進行了簡化；Heath[12]考慮了從浮標到并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的OWC系統(tǒng)的歷史,給出了有關商業(yè)開發(fā)中其他OWC系統(tǒng)進展報告；Xu等[13]通過試驗和理論方法研究了具有二次功率輸出(Power Take Off,PTO)模型的OWC裝置的發(fā)電效率；史宏達等[14]設計了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置,在此基礎上,秦輝等[15]設計了一種帶收縮水道的沉箱防波堤和OWC波能發(fā)電裝置相結(jié)合的復合結(jié)構形式；溫鴻杰[16]使用了SPH(Smoothed Particle Hydr odyna mics)方法重演了氣室內(nèi)外的自由液面形態(tài)以及氣室前墻附近渦旋的生成、發(fā)展和耗散過程,發(fā)現(xiàn)了直立式氣室前墻外側(cè)易產(chǎn)生較大的渦旋；鄭艷娜等[17]進行了振蕩水柱裝置前墻形狀對能量轉(zhuǎn)化效率影響的數(shù)值模擬,在直立式的前墻的不同位置底部和兩側(cè)分別增設了直徑0.500和1.125 m的2種半圓,認為前墻底端兩側(cè)增加半圓可以較好地提升轉(zhuǎn)化效率,從轉(zhuǎn)化效率的角度得出了對傳統(tǒng)直立式前墻結(jié)構的改進可提高氣室的捕能效果的結(jié)論,但僅涉及了增設半圓的前墻結(jié)構,沒有對前墻結(jié)構形式變化對氣室捕能效果的影響進行研究討論。

已有的有關振蕩水柱發(fā)電裝置的研究,缺少針對前墻結(jié)構截面形式不同對氣室捕能效果影響的探討。為研究前墻結(jié)構對氣室捕能效果的影響,本文提出了橢圓和三角兩種氣室前墻截面形式,通過改變角度得到5種不同的氣室前墻結(jié)構,并結(jié)合傳統(tǒng)矩形前墻通過數(shù)值模擬從波能-動能轉(zhuǎn)換效率和氣室內(nèi)空氣壓強兩個角度,研究了前墻結(jié)構截面形式對OWC氣室捕能效果的影響。

1 數(shù)值水槽

1.1 數(shù)學模型

本文利用Flow-3D軟件,以N-S方程為基本控制方程建立二維數(shù)值波浪水槽,紊流模型為RNG k-ε模型,并采用VOF方法處理自由液面。需要注意的是本模型為二維數(shù)值模型,流體不會在y方向產(chǎn)生流動。

連續(xù)性方程:

動量方程:

式中:VF為流體流動部分的體積；Ax、Ay、Az,fx、fy、fz和Gx、Gy、Gz為模擬流體流動各個方向的面積、黏滯加速度和重力加速度；p為在流體微元上的作用壓力；ρ為流體密度。

紊動能kT方程和εT方程:

式中:PT是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；GT是由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項,對于不可壓縮流體取為0；CDIS為紊動參數(shù),默認取值為0。

1.2 數(shù)值水槽的建立和驗證

二維水槽的結(jié)構示意圖見圖1,水槽右端為阻尼消波段,左邊界為造波邊界(Wave Boundar y),右邊界為透浪邊界(Outflow),上下邊界分別為壓力邊界和邊界墻(Specified Pressure和Wall)。通過設計監(jiān)測點得到水槽內(nèi)波高,并與理論值進行對比驗證(圖2),可以看出模擬值與理論波形基本吻合,說明該模型可以較準確地模擬線性波浪。

圖1 水槽示意圖Fig.1 Schematic diagra m of t he flu me

圖2 波形驗證Fig.2 Wavef or m validation

2 OWC氣室數(shù)值模擬

2.1 模型建立

取重力相似準則即弗雷德準則設計模型,根據(jù)試驗水槽的尺寸和模型設計,長度比λL=20。試驗水深為600 mm。試驗中,氣室前布置探測點用以檢測堤前波高,出氣口中心位置布置探測點1個,用以獲取出氣口空氣流速。氣室內(nèi)頂部布置探測點1個,用以獲取氣室內(nèi)空氣壓強。試驗選用5個具有不同前墻結(jié)構的模型(圖3和圖4)。其中,20D和30D型的氣室前墻截面分別為20°和30°的三角；20 TY和30 TY型的氣室前墻截面分別是端點連線與長軸夾角為20°和30°的1/4橢圓。

圖3 氣室模型示意圖Fig.3 Schematic diagra m of the air chamber model

圖4 氣室模型尺寸(mm)Fig.4 Size of the air cha mber model(mm)

2.2 模擬工況

模擬主要是研究前墻結(jié)構不同的經(jīng)典OWC氣室在不同波要素下的捕能效果,共設置5種模型(Y型、20TY型、30TY型、20D型和30D型)。模擬所用的波浪要素參考青島董家口港區(qū)附近海況,實際比例下周期選用5,6,7和8 s四種,波高選取2,3,4和5 m四種,水深取12 m,根據(jù)比尺換算即為4種波高(0.10,0.15,0.20和0.25 m)、4種周期(1.1,1.3,1.6和1.8 s)共80個工況在水深0.6 m的情況下進行模擬。

2.3 分析方法

水體受到外力的作用運動形成波浪,波浪本身具有動能和勢能。一個波長(L)范圍內(nèi)單位寬度波鋒線長度的波浪勢能(Ep)公式為

式中,H為波高,L為波長,ρ為液體密度。微幅波中,自由表面高度,帶入式(5)可得:

一個波長范圍內(nèi)單位寬度波鋒線長度的波浪動能(Ek)公式為

在微幅波中,Ek可表示為

故一個波長范圍內(nèi)的總波能(E)為

氣室內(nèi)氣液相互作用,波浪能量轉(zhuǎn)換為空氣動能,出氣口空氣動能Eo為

式中,ρk為氣體密度,m為氣體質(zhì)量,u為氣體速度,B為氣室出口寬度,T為周期。

根據(jù)式(10)與式(11)知,氣室的波能—動能轉(zhuǎn)換率(ηe)[6]為

3 結(jié)果分析

3.1 各周期下不同模型的轉(zhuǎn)換效率

各周期下不同模型的轉(zhuǎn)換效率隨波高的變化見圖5。由圖5可見,在各周期下,20 TY型和30 TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率明顯較高,且在周期為1.1和1.3 s時20TY型的轉(zhuǎn)換效率高于30TY型。在周期1.3和1.6 s時,30D型的轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于Y型,1.8 s時低于Y型；各工況下20D型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率相對于Y型沒有明顯優(yōu)勢。在周期1.8 s的情況下,波高0.20 m時,20D型、30D型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率分別為Y型的1.07倍和0.92倍,而20 TY型、30TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率分別為Y型的1.46倍和1.61倍,波高0.10 m時30TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率高于Y型前墻氣室90%。各工況下20TY型、30TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率相對Y型前墻結(jié)構氣室平均提升了37%。

圖5 各周期下不同模型的轉(zhuǎn)換率Fig.5 The conversion rate of different models in different periods

3.2 4種周期下不同模型的氣室內(nèi)壓強

在4種周期下不同模型的氣室內(nèi)空氣壓強隨波高的變化見圖6。由圖6可見20TY型和30TY型前墻氣室的氣室內(nèi)壓強較高,且在周期為1.1和1.3 s時20 TY型的轉(zhuǎn)換效率高于30 TY型,在周期為1.6和1.8 s則反之。在周期1.3和1.6 s時,30D型的氣室內(nèi)壓強高于Y型,1.8 s時低于Y型。各工況下20D型的氣室內(nèi)壓強與Y型的差距很小。

圖6 各周期下不同模型的氣室內(nèi)空氣壓強幅值Fig.6 The air pressure amplitudes in the air chambers of different models in different periods

4 結(jié) 論

在數(shù)值水槽中進行了模擬研究,研究了5種不同前墻結(jié)構OWC氣室在不同波高、周期時的出氣口速度和氣室內(nèi)空氣壓強。基于模擬結(jié)果從波能-動能轉(zhuǎn)換效率和氣室內(nèi)空氣壓強角度分析了前墻結(jié)構對OWC氣室的捕能效果的影響,得到了以下結(jié)論:

1)對前墻結(jié)構進行改進可以有效地提高OWC氣室的捕能效果,前墻結(jié)構對捕能效果的影響在周期較大時更為顯著；

2)5 種結(jié)構中20TY型和30TY型前墻的氣室捕能效果較好,其波能-動能轉(zhuǎn)換率相對Y型前墻結(jié)構氣室最多提升90%,平均提升37%；在周期為1.1和1.3 s時20TY型的捕能效果優(yōu)于30TY型,在周期為1.6和1.8 s則反之；在周期1.3和1.6 s時,30D型的捕能效果優(yōu)于Y型,而20D型相對于Y型沒有明顯優(yōu)勢。