振蕩水柱波能發(fā)電裝置氣室的三維數(shù)值模擬研究＊

紀君娜,劉 臻,紀立強

(1.中國海洋大學工程學院,山東青島 266100;2.膠東調(diào)水局青島分局棘洪灘水庫管理處,山東青島 266111;3.中交煙臺環(huán)保疏浚有限公司,山東煙臺 266100)

我國作為有著漫長海岸線的海洋資源大國,在利用開發(fā)海洋能源,特別是海洋波浪能方面具有先天優(yōu)勢。波浪能的分布廣泛,能量密度高,波浪能發(fā)電多是在沿岸和海上進行,因此不占用土地,不需要遷移人口,且具有綜合利用效益,多年來一直是海洋可再生能源中的開發(fā)熱點。

目前,振蕩水柱波能發(fā)電裝置是實用化與商業(yè)化開發(fā)程度最高的波浪能轉(zhuǎn)換裝置之一。該類裝置主要由氣室、輸氣管道、空氣透平與發(fā)電機組構(gòu)成。氣室為一半淹沒空倉結(jié)構(gòu),倉室前墻下部開敞,入射波浪將帶動氣室內(nèi)的水柱做上下振蕩,并帶動水體上部的空氣通過輸氣管道與外界大氣之間做往復運動,稱為能量一次轉(zhuǎn)換過程?？諝怛?qū)動透平電機轉(zhuǎn)動,便可實現(xiàn)波浪能向電能的轉(zhuǎn)換,稱為能量二次轉(zhuǎn)換過程。其中,氣室是實現(xiàn)能量一次轉(zhuǎn)換過程的主要結(jié)構(gòu)。

隨著對波能發(fā)電裝置重視程度的日益增加及研究手段的愈加豐富,國內(nèi)外學者對氣室和能量一次轉(zhuǎn)換過程等相關(guān)問題進行了廣泛而深入的研究。劉月琴等[1]對傳統(tǒng)岸式振蕩水柱波能裝置的氣室部分進行了實驗研究,重點考察了海岸岸坡之間的效應關(guān)系及其規(guī)律。當入射波周期較大時,海岸岸坡對振蕩水柱的垂向運動響應影響不大,但對吸能效率和單位寬度波能俘獲率的影響較為明顯。梁賢光等[2]在造波水槽中進行了汕尾100kW 波力電站氣室模型的性能試驗。氣室的波能轉(zhuǎn)換效率不僅隨波周期變化,而且隨波高而異。試驗還表明,氣室的形狀對波能轉(zhuǎn)換率的影響也較大。Brito-Melo[3]用直接計算方法預測振蕩水柱裝置的水動力特性,為求解氣室內(nèi)壓力分布,他們改進了氣室內(nèi)自由水面處的動力學邊界條件,同時利用壓力輻射法計算氣室內(nèi)往復氣流的壓力。計算結(jié)果證明邊界元方法能夠有效地計算波浪的繞射和衍射問題。Lew is&Delaure[4]提出一種計算岸式振蕩水柱系統(tǒng)的數(shù)值模型,利用一階混合面元法求解在定常邊界條件下規(guī)則波與波能裝置的相互作用。對規(guī)則波與不規(guī)則波的計算與實驗結(jié)果的對比,驗證了該模型的可靠性。

本研究構(gòu)建了基于計算流體力學軟件Fluent的三維數(shù)值波浪水槽,用以研究氣室前的波浪傳播與氣室內(nèi)的水面振蕩變化。該數(shù)值波浪水槽的控制方程為連續(xù)方程和基于雷諾平均的納維爾斯托克斯方程,自由水面的重構(gòu)方法為VOF法。通過與試驗數(shù)據(jù)的對比,驗證了本研究構(gòu)建方法的準確性及在相關(guān)研究中應用的可能性。

1 三維數(shù)值波浪水槽

1.1 控制方程

三維數(shù)值波浪水槽造波板位于水槽的左側(cè),開邊界則位于水槽的右側(cè)(圖1)。該水槽的數(shù)值波浪水槽分別為控制方程和基于雷諾平均的納維爾斯托克斯(RANS)方程：

圖1 三維數(shù)值波浪水槽示意圖Fig.1 Sketch for a 3D numericalw ave tank

式中,t為時間;xi,xj和ui,uj為x,z方向的坐標向量和對應的速度分量;ρ,p,ν和 fxi為流體的密度、流體的壓力、運動粘性常數(shù)和體積力。

自由水面的追蹤與重構(gòu)采用H irt&Nichols提出的流體體積分數(shù)法,簡稱VOF方法[5]。該方法假設(shè)在某一計算單元內(nèi)水相所占體積與氣相所占體積的總和為定值,水相的計算公式如下：

式中,aw為水相體積分數(shù);t為時間。此外,水氣界面重構(gòu)與通量計算通過由Youngs在1982年提出的假設(shè)單元內(nèi)的線性斜坡的方法獲得[6]。

1.2 數(shù)值方法

為了更好的揭示振蕩水柱波能發(fā)電裝置的工作機理,主要采用規(guī)則入射波進行研究。造波方法為推板式,數(shù)值波浪水槽的開邊界條件則采用Sommerfield輻射邊界條件,該方法已經(jīng)被證明對規(guī)則波的吸收較好。

造波與消波邊界的功能主要通過Fluent軟件的用戶自定義(UDF)函數(shù)實現(xiàn),計算程序中的動網(wǎng)格運動則采用邊界鋪層的方法。計算網(wǎng)格則由Gambit 2.0生成,并在水氣交界面處進行了加密。

控制方程的數(shù)值求解方法采用有限體積法,對流項的求解則為二階迎風格式。速度壓力耦合使用“含有分裂算子壓力隱式的非迭代時間步進(NITA-PISO)”方法。上述方法與VOF法相兼容,且能夠顯著降低計算耗時。

2 振蕩水柱波能裝置的氣室結(jié)構(gòu)

振蕩水柱波能發(fā)電裝置前方的波浪傳播、氣室內(nèi)的自由水面振蕩及輸氣管內(nèi)的往復氣流的運動都受到氣室形狀的影響。因此,氣室及其相關(guān)參量在能量一次轉(zhuǎn)換過程中具有重要作用。開展針對氣室形狀參量的研究,對揭示振蕩水柱波能裝置的工作機理、提高氣室工作性能將有較高的工程意義和實用價值。

本研究所采用的氣室主要的氣室形狀參量包括：氣室寬度lf;氣室前墻吃水深度ds;氣室內(nèi)靜水面上高度lh;氣室前墻厚度ls;氣室頂部開口寬度ld,底坡水平長度lm;底坡坡角θs;氣室墻前平均水深h。若ld=lf,則代表氣室為完全開敞,否則為部分開敞。圓柱形輸氣管安裝在氣室的頂部中央位置,輸氣管的直徑為ld,高度為hd(圖2)。

為了考察振蕩水柱波能裝置結(jié)構(gòu)對氣室工作性能的影響、驗證所構(gòu)建三維數(shù)值波浪水槽的準確性,研究計算了不同的氣室結(jié)構(gòu)參量(表1)。除表中的形狀參量之外,輸氣管的高度hd=13.2 m,底坡水平長度lm=22.86m,底坡坡角θs=26°,氣室的墻前平均水深為16m。此外,本研究采用的入射波高度為1m,入射波周期為3.5～8.0 s。

圖2 振蕩水柱波能裝置氣室結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch showing the air chamber in a OWC wave energy convertor

表1 不同試驗工況條件下的形狀參量(m)Table 1 Experimental cases with various shape parameters(m)

3 數(shù)值模擬結(jié)果與討論

工況1～3中,在不同入射波周期條件下氣室內(nèi)波面生成變化特征相似(表1),以工況2入射波周期 T=5.5 s時氣室內(nèi)的波面升沉變化為例。如圖3a所示,當振蕩水柱的波面達到波峰時,氣室內(nèi)各點處的波面高程并不相等：氣室前墻及后墻附近的波面高程大于中部,但前墻與后墻附近的波面達到最高的時刻不同。前、后墻兩位置處的波面高程平均值約等于氣室中部的高程值。由圖3b可見,氣室內(nèi)振蕩水柱達到波谷時,其自由水面的運動特征與其到達波峰時的規(guī)律基本相同,即氣室內(nèi)自由水面高程分布沿入射波方向存在區(qū)別,而在垂直于入射波方向上波面高程的分布差別不大。

相對波幅指氣室內(nèi)的振蕩波幅(a)與入射波幅(a0)的比值,反映了氣室內(nèi)水面振蕩的幅度和劇烈程度。當氣室內(nèi)的波幅較大時,振蕩水柱將推動更多的空氣在輸氣管內(nèi)做往復運動,意味著更多的波浪能量可以在能量一次轉(zhuǎn)換的過程中變?yōu)榭諝饽芰俊Ｒ虼?氣室內(nèi)的相對波幅可以較為準確的反應該裝置工作性能的優(yōu)劣。由圖4可見工況2條件下,入射波周期為T=5.5 s時氣室中部自由水面相對波幅的變化情況。氣室中自由水面的擺式振蕩造成波幅升沉運動不再呈正弦變化。此外,自由水面振蕩的周期與入射波周期基本相同,且入射波幅有明顯的提高。

各工況條件下的振蕩水柱波能發(fā)電裝置氣室內(nèi)中部的自由水面相對振幅三維數(shù)值模擬計算結(jié)果如圖5所示。為更好的驗證計算結(jié)果,本研究與Zhen Liou[7]等二維數(shù)值模擬計算也進行了比較。從總體上看,三維數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較為吻合;在長周期區(qū),三維數(shù)值計算的結(jié)果與試驗數(shù)值更為符合,優(yōu)于劉月琴[2]中的二維數(shù)值模擬計算結(jié)果,但仍小于試驗值,這是由于相對于二維計算,三維數(shù)值模擬能夠更好的處理和垂直于入射波向的波面分布情況及其對氣室中部的影響。

從總體上看,本研究各形狀參量條件下的相對波幅沿入射波周期的分布規(guī)律基本相同。在短周期區(qū)(T=3.5～6.0 s),氣室內(nèi)的相對波幅隨著周期的增加而增加。在長周期區(qū)(T=6.0～8.0 s),氣室內(nèi)的相對波幅則隨著周期的增加而趨于一個較為穩(wěn)定的數(shù)值,相對波幅在2.0左右。由此可見,在進行波浪能裝置運行的選址過程中,應盡量選擇實海況平均周期大于6.0 s的海域。在上述條件下,波能能量的轉(zhuǎn)換效率較高,且裝置的工作性能也較高。

圖3 三維振蕩水柱波能裝置氣室內(nèi)水面升沉變化Fig.3 3D view for the up and dow nmovementof the free surface in the chamber of the OWCw ave-pow er convertor

圖4 三維振蕩水柱波能裝置氣室中部相對波幅時程曲線Fig.4 Time Series of relative amplitude at them idd le of the chamber in the 3D OWC w ave-power convertor

圖5 振蕩水柱波能裝置相對波幅的計算比較Fig.5 Comparison among the results respectively from the calculations of relative wave am plitude for a OWC w ave-pow er convertor

4 結(jié) 語

本研究構(gòu)建了基于計算流體力學軟件Fluent的三維數(shù)值波浪水槽。該數(shù)值水槽的控制方程為連續(xù)方程和RANS方程,自由水面追蹤與重建則采用PLIC-VOF方法,并將上述數(shù)值計算模型成功應用于振蕩水柱波能發(fā)電裝置氣室內(nèi)水面振蕩變化的研究中。

計算結(jié)果表明,本研究的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)較為吻合,且優(yōu)于文獻中的二維數(shù)值計算方法。因此,可被用于該領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)問題的研究。此外,振蕩水柱波能發(fā)電裝置的氣室結(jié)構(gòu)在長周期區(qū)(T=6.0～8.0 s)條件下的工作性能較好,能量轉(zhuǎn)換效率較高。氣室前墻吃水與輸氣管徑則對自由水面的振蕩的影響較小。

[1] 劉月琴,武強.岸式波力發(fā)電裝置水動力性能試驗研究[J].海洋工程,2002,20(4)：93-97.

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