波浪能自供電生態(tài)浮標(biāo)體設(shè)計與分析

楊志乾，孫強(qiáng)，王世明，王鵬波，李華南

摘 要：基于前期傳統(tǒng)型浮標(biāo)設(shè)計存在的問題，文章提出了一種橢球型波浪能自供電浮標(biāo)標(biāo)體設(shè)計結(jié)構(gòu)。通過用UG軟件建立橢球型浮標(biāo)、圓柱形浮標(biāo)和圓錐形浮標(biāo)模型，利用ICEM CFD優(yōu)越的網(wǎng)格劃分技術(shù)，并導(dǎo)入Ansys AQWA模塊中，采用RAO數(shù)值響應(yīng)法，得到不同波浪入射角下，垂直與水平響應(yīng)仿真圖。從圖中分析得到橢球型浮標(biāo)隨波效果最好，同時可利用寬頻響應(yīng)時間實現(xiàn)波浪能發(fā)電。該仿真研究方法可為同類浮標(biāo)仿真研究提供參考。

關(guān)鍵詞：波浪能；自供電；橢球型浮標(biāo)；仿真分析

中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0107-03

Abstract： Based on the problems existing in the previous traditional buoy design， an ellipsoidal wave energy self-powered buoy body design structure is proposed in this paper. The model of ellipsoid buoy， cylindrical buoy and conical buoy is built by UG software， and ICEM CFD's superior mesh generation technology is used to import Ansys AQWA module. Using the RAO numerical response method， the vertical and horizontal response simulation diagrams of different wave incident angles are obtained. The result shows that the ellipsoidal buoy has the best effect with wave， and the wave energy generation can be realized by using the response time of wide frequency. The simulation research method can provide reference for the similar buoy simulation research.

Keywords： wave energy； self power supply； ellipsoid buoy； simulation analysis

引言

自20世紀(jì)90年代以來，海洋浮標(biāo)研究已有三十多年，浮標(biāo)研究與應(yīng)用多集中在海洋水文氣象浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、海洋光學(xué)浮標(biāo)、海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)[1]。近幾年來，江河湖泊環(huán)境問題成為國家重點關(guān)注問題，生態(tài)浮標(biāo)應(yīng)運而生。生態(tài)浮標(biāo)是一種可搭載水文、水質(zhì)、生態(tài)等監(jiān)測儀器的漂浮式自動化平臺，廣泛應(yīng)用于在江河湖泊與海洋[2]。標(biāo)體結(jié)構(gòu)具備抗風(fēng)浪、耐腐蝕等特點；數(shù)據(jù)監(jiān)測必須具有長期、連續(xù)、全天候監(jiān)測等特點[3]。為滿足浮標(biāo)長期供電需求，在設(shè)計時，采用自供電技術(shù)，該技術(shù)多數(shù)采用太陽能技術(shù)、風(fēng)能及混合技術(shù)，少部分采用波浪能與潮汐能供電技術(shù)。本文研究一種波浪能自供電生態(tài)浮標(biāo)，增加了定位于可生降的功能，完成“一種波浪能自供電定位式可升降生態(tài)浮標(biāo)”授權(quán)專利。重點研究該浮標(biāo)體在搭載多種功能為前提，整個標(biāo)體結(jié)構(gòu)基于Ansys AQWA流體動力學(xué)評估軟件模擬風(fēng)浪作用下的穩(wěn)定性。

1 浮標(biāo)體設(shè)計方案

該波浪能自供電浮標(biāo)的理想狀態(tài)是標(biāo)體下方浸沒在水中，利用波浪波動推力完成發(fā)電，浮于水面上方的標(biāo)體盡量避免風(fēng)力的干擾，以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此提出了一種自供電、定位、可升降及剖面生態(tài)測量浮標(biāo)設(shè)計方案。如圖1所示。

整個浮標(biāo)分為浮標(biāo)體、波浪能發(fā)電裝置、可升降裝置三個關(guān)鍵部分。浮標(biāo)外體由端蓋12、殼體8、導(dǎo)流罩3構(gòu)成，殼體為橢圓形，自身帶有浮力，整個殼體中心部分呈空心狀，導(dǎo)流罩3上表面貼合浮標(biāo)下殼體，端蓋12的外部上安裝有風(fēng)力傳感器10和衛(wèi)星天線11，端蓋內(nèi)部安裝有一個通信模塊9。浮標(biāo)體內(nèi)部裝有直線電機(jī)13與導(dǎo)流罩3構(gòu)成波浪能發(fā)電裝置，導(dǎo)流罩下面安裝有可升降裝置。

浮標(biāo)體采用橢球形，不同于圓柱形和錐形，是為了更好的利用橢球型外殼，使其與增速導(dǎo)流罩外表面完全貼合，達(dá)到增加流速的目的。直線電機(jī)的長度決定橢球型標(biāo)體的短軸，導(dǎo)流罩的長度決定橢球型標(biāo)體的長軸，長度與導(dǎo)流罩?jǐn)U口大小是直線電機(jī)的發(fā)電功率的關(guān)鍵因素，即發(fā)電功率決定標(biāo)體的大小。

2 浮標(biāo)體仿真對比分析

2.1 UG三維建模

為了分析橢球形浮標(biāo)體與傳統(tǒng)圓柱形、錐形標(biāo)體的差異性，擬通過UG軟件分別建立橢球型浮標(biāo)、圓柱形浮標(biāo)、錐形浮標(biāo)三維模型，利用Ansys AQWA進(jìn)行仿真對比分析。在仿真實驗設(shè)計時，假設(shè)浮標(biāo)體內(nèi)部安裝設(shè)備布局合理，不對浮標(biāo)體產(chǎn)生影響，橢球型的長軸、圓柱形底面直徑、圓錐形最大圓面直徑三者尺寸保持一致，橢球型的短軸、圓柱形高、圓錐形高三者尺寸保持一致，三者均保持高度1/2以上浮于水面。

模型建立時，需考慮在關(guān)鍵尺寸比例不變的基礎(chǔ)上，盡可能簡化模型，方便仿真計算。3種模型如圖2所示，其長短軸尺寸為200cm*110cm，運用UG軟件質(zhì)量評估功能三種浮標(biāo)體水下部分體積分別約為1259781cm3、1727000cm3、1034761cm3。

2.2 ICEM劃分網(wǎng)格

網(wǎng)格劃分的好壞直接影響仿真計算結(jié)果的好壞，ICEM CFD作為專業(yè)的CAE前處理軟件，其網(wǎng)格劃分結(jié)果受到業(yè)界普遍認(rèn)可，另外其可導(dǎo)入多種三維軟件模型和為上百種后處理軟件提供接口。劃分網(wǎng)格時，盡量使用可快速計算的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對于不規(guī)則的橢球型采用混合型網(wǎng)格，由于四面體網(wǎng)格不能很好地描述圓弧的邊緣特征，盡量少用四面體網(wǎng)格描述圓弧，在生成四面體網(wǎng)格后，再使用三棱柱網(wǎng)格細(xì)化圓弧邊緣[4]。剖切網(wǎng)格，水下部分網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.3 AQWA處理

Ansys AQWA軟件作為結(jié)構(gòu)流體動力學(xué)評估軟件，能夠模擬不同時域與頻域的不規(guī)則波、隨機(jī)波等波浪推力。通過模型對于波浪推力的垂直與水平響應(yīng)程度，來判斷該浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。導(dǎo)入ICEM網(wǎng)格，設(shè)定重量、重心以及慣性力矩、波浪方向、頻率、間隔等浮標(biāo)體參數(shù)。

RAO是指浮體在單位規(guī)則波幅作用下的浮體響應(yīng)，RAO數(shù)值越大，隨波運動幅值就越大。其在簡諧波下隨時間變化的響應(yīng)函數(shù)[5]如下：

（1）

其中A-入射波幅值，H（？棕，？茁）-傳遞函數(shù)。

仿真數(shù)據(jù)選擇0°，30°，60°，90°浪向角，則對浮標(biāo)體的橫搖RAO和垂蕩RAO進(jìn)行水動力分析比較。仿真結(jié)果如圖4、5、6所示。

從圖4、圖5、圖6可以看出：橢球型的最大垂直響應(yīng)值約為1.35，最大橫搖響應(yīng)約為115；圓柱形的最大垂直響應(yīng)值約為1.75，最大橫搖響應(yīng)約為135；錐形的最大垂直響應(yīng)值約為1.85，最大橫搖響應(yīng)約為155。橢球型的響應(yīng)值最小，說明該型浮標(biāo)體隨波運動波動較小，即波浪對其影響小。其結(jié)果較好，圓柱形次之，錐形最差。另外橢球型的橫搖響應(yīng)頻率寬度在2～4.5之間，頻域?qū)挾缺绕渌麅煞N寬，說明浮標(biāo)體受到大幅值波浪作用下，能夠吸收波浪推力，并緩慢釋放，可利用此點實現(xiàn)波浪能發(fā)電。綜上所述，橢球型浮標(biāo)具有良好的隨波性能，該專利在最初設(shè)計時，結(jié)構(gòu)與布局合理。

3 結(jié)束語

基于前期傳統(tǒng)型浮標(biāo)設(shè)計存在的問題，本文提出了一種橢球型波浪能自供電浮標(biāo)標(biāo)體設(shè)計結(jié)構(gòu)。通過用UG軟件建立橢球型浮標(biāo)、圓柱形浮標(biāo)和圓錐形浮標(biāo)模型，利用ICEM CFD優(yōu)越的網(wǎng)格劃分技術(shù)，并導(dǎo)入Ansys AQWA模塊中，采用RAO數(shù)值響應(yīng)法，得到不同波浪入射角下，垂直與水平響應(yīng)仿真圖。從圖中分析得到橢球型浮標(biāo)隨波效果最好，同時可利用寬頻響應(yīng)時間實現(xiàn)波浪能發(fā)電。該仿真研究方法可為同類浮標(biāo)仿真研究提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鵬，胡筱敏，熊學(xué)軍.新型表層漂流浮標(biāo)體設(shè)計分析[J].海洋工程，2017，35（06）：125-133.

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[3]趙聰蛟，何志強(qiáng)，周燕.浙江省海洋水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)設(shè)計與實現(xiàn)[J].海洋技術(shù)學(xué)報，2015，34（05）：37-42.

[4]王波，李民，劉世萱，等.海洋資料浮標(biāo)觀測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].儀器儀表學(xué)報，2014，35（11）：2401-2414.

[5]曲少春，鄭琨，王英民.圓柱形浮標(biāo)運動分析與仿真[J].計算機(jī)仿真，2010，27（06）：363-367.