摆式波浪能转换装置的完全非线性翻卷砰击响应研究
摆式波浪能转换装置(OWSC)是近年来广受关注的一种近岸波浪能装置，其波能摆板与底部基座铰接、在波浪的激励下往复旋转并带动液压缸将高压水通过管道直接抽送到岸上的发电机。当遭遇恶劣或极端海况时，摆板将首先运动到低位，在回复力矩的作用下出水后再以高速冲击水面，在摆板表面形成高幅值的砰击压力，对装置的安全性造成威胁。由于摆板的运动对砰击射流与砰击压力起决定性作用，OWSC的波浪砰击问题与传统的波浪碰撞固定式海洋平台或海堤有着本质不同。目前，针对OWSC的水动力砰击研究主要在常水深规则波理论框架中通过典型工况展开，尚未将极端条件下入射波的特殊形成机理与不规则的强非线性波面考虑在内，并且对近岸海流以及不平整地形条件下的砰击响应研究十分匮乏。鉴于此，本文将基于势流理论，通过时域高阶边界元法建立OWSC水动力砰击问题的完全非线性数值模型，重点研究摆板在规则波、极端波、均匀流与不平整地形等因素下的砰击响应机理。 本文首先建立了规则波对OWSC砰击的高阶边界元模型。利用辅助函数法计算摆板表面速度势的时间导数后根据伯努利方程得到了物面压力分布，在此基础上解耦了摆板运动与波浪之间的相互耦合关系。通过四阶Runge-Kutta法联合基于摆板运动的旋转坐标系更新下一时刻的边界条件，避免了摆板与液面交点可能出现的数值错误。针对于砰击射流具有的强非线性特性，采用不均匀网格分布方案离散了自由表面，保证了计算精度与计算效率。为了克服由摆板表面射流区域的高振荡压力引起的数值不稳定性，在旋转坐标系中使用线性分布规律计算了相应单元的速度势。当射流翻卷脱落并对波面形成二次砰击时，采用了基于复平面思想的区域分解法捕捉其下落过程射流，避免了复联通区域造成的数值错误。通过已有的实验数据和CFD数值结果验证了所建立数值模型对OWSC发生砰击后的波面特征、运动特征和动力特征模拟的准确性，由此开展了对摆板材质和波浪要素的参数化研究，分析了当不同规格摆板受到不同条件的规则波时，发生砰击后所产生的不规则射流与高幅值砰击压力的规律和原因。 其次，通过孤立波与聚焦波理论生成了两种具有代表性的极端波浪，并将数值模型扩展应用到了对极端工况下的OWSC水动力砰击数值研究中。针对孤立波与聚焦波特殊的波浪特征，在自由水面条件中分别定义了有效的数值阻尼层，消除了边界处多重反射波对结果的干扰。为了同时模拟具有强非线性的入射极端波浪与砰击产生的不规则射流，对不规则网格分布方案进行了进一步的收敛性验证，结果表明本文的数值方法对于极端波浪的模拟具有较好的准确性。此后重点分析了孤立波波高与水深，聚焦波波高、水深、频带宽与波浪聚焦位置等极端波浪参数对砰击的影响。通过与规则波砰击OWSC结果的对比后发现，与规则波不同，由于流体质点的横向加速度更大，极端波浪将突出转动惯量对摆板运动的影响，进一步增强具有较大转动惯量摆板的砰击压力。 最后，探讨了水流、极端波浪与水深变化条件下的OWSC水动力砰击现象与机理。先采用迭代法计算了水流影响下的耦合规则波色散方程，由此生成了存在规则波与均匀流时的流场，假设摆板以规定模式冲击规则波与水流共存的流场，分析所产生的射流与砰击压力，准确得出了水流对砰击的影响规律。而后进一步定义了当均匀流存在时的压力辅助函数以解耦摆板运动与波浪、水流之间的相互依赖关系。基于源造波法生成了极端波浪与水流共存的流场，并在水底设置不同规格的障碍物以模拟不平整地形下极端波浪与水流对OWSC的砰击。为了避免逆流、极端波浪与浅水地形共存时可能引起的破碎射流，同时采用截断法和区域分解法以及非破碎波条件保证了计算过程在取得预期结果之前不会因为出现奇异矩阵而终止。对比本文模型模拟极端波浪与水流以及极端波浪与不平整地形相互作用的结果可知，本文对近岸流场环境的模拟具有较好的准确性。重点对流速、波高、水深变化以及水底障碍物的高度和形状等参数引起的砰击进行分析，数值结果表明水深变浅将明显增大波面的非线性并进一步增强摆板所受的砰击压力。而当水底存在凸起的障碍物时，入射孤立波将发生明显分裂变形，使摆板连续受到两次砰击影响。
摆式波浪能转换装置;波浪砰击;高阶边界元法;完全非线性;极端波浪;均匀流;水深变化
江苏科技大学
硕士
船舶与海洋结构物设计制造
程勇
2020
中文
P743.2
2021-01-20（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）