后彎管式波力發(fā)電裝置氣室結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究＊

劉 臻，肖 翔，呂小龍，曹飛飛

（中國(guó)海洋大學(xué)山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100）

后彎管浮式波力發(fā)電裝置（Backward Bend Duct Buoy，簡(jiǎn)稱BBDB）作為一種離岸的振蕩水柱式波力發(fā)電裝置（見(jiàn)圖1），其主要工作原理是能量3次轉(zhuǎn)換：波浪與裝置相對(duì)的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致氣室內(nèi)水柱振蕩，帶動(dòng)氣室內(nèi)空氣往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成能量1次轉(zhuǎn)換；空氣經(jīng)過(guò)透平帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，將空氣的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為透平的機(jī)械能，完成能量2次轉(zhuǎn)換；發(fā)電機(jī)組將透平的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，完成能量3次轉(zhuǎn)換。

圖1 后彎管浮式波力發(fā)電裝置Fig.1 BBDB wave energy converter

鑒于BBDB波力發(fā)電裝置具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)輸安裝方便、適應(yīng)范圍廣（特別是小波浪和淺水區(qū)）、波能轉(zhuǎn)換效率較高等優(yōu)點(diǎn)[1]，各國(guó)專家學(xué)者與機(jī)構(gòu)對(duì)BBDB波力發(fā)電裝置進(jìn)行了一定的研究。日本、愛(ài)爾蘭及中國(guó)對(duì)此類裝置的研究較多且取得一定成果。我國(guó)廣州能源所將BBDB波力發(fā)電裝置應(yīng)用于水道1號(hào)導(dǎo)航燈船上，建造完成了我國(guó)最大的導(dǎo)航燈船[2]。該所從多個(gè)方面對(duì)BBDB波力發(fā)電裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究：梁賢光、孫培亞、王偉等[3－5]對(duì)6種BBDB裝置模型進(jìn)行工作性能測(cè)試，比較形狀參量對(duì)裝置工作性能的影響，發(fā)現(xiàn)BBDB裝置浮室采用前方后圓型、彎管后伸時(shí)性能最好；比較BBDB波力發(fā)電裝置在L型鏈和S型鏈系泊時(shí)的工作性能，發(fā)現(xiàn)裝置采用L型鏈系泊時(shí)工作性能最好；對(duì)單體、雙并聯(lián)、三并聯(lián)3種BBDB波力發(fā)電裝置的工作性能和錨泊力進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，裝置并聯(lián)后，其最佳響應(yīng)周期同并聯(lián)前基本相同，在三并聯(lián)時(shí)，位于中間位置的裝置工作性能略低于兩側(cè)裝置的工作性能，單個(gè)裝置的工作性能較并聯(lián)前有所下降。

通過(guò)觀察前期后彎管浮式波力發(fā)電裝置的研究開(kāi)發(fā)可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)該裝置的物理模型試驗(yàn)主要集中在對(duì)裝置結(jié)構(gòu)形式的考察及錨泊方式和錨鏈形式的比較上，全面考察入射波參量和裝置結(jié)構(gòu)參量對(duì)裝置水動(dòng)力學(xué)特征與一次能量轉(zhuǎn)換效率的影響則有待進(jìn)一步加強(qiáng)。此外，前人裝置的研發(fā)目標(biāo)主要集中于百瓦級(jí)的航標(biāo)燈供電裝置應(yīng)用，而對(duì)于漂浮式10kW級(jí)裝機(jī)容量的裝置研究仍較少。

本文擬在前人研究基礎(chǔ)上，以10kW級(jí)后彎管式漂浮型發(fā)電裝置為研究對(duì)象，以裝置的水動(dòng)力學(xué)性能為主要研究?jī)?nèi)容，以氣室內(nèi)相對(duì)波高作為主要表征參數(shù)，通過(guò)斷面水槽水工物理模型試驗(yàn)，考察了氣室內(nèi)水柱振蕩幅度與入射波波高和入射波周期之間的關(guān)系，分析了氣室完全開(kāi)敞、輸氣管添加負(fù)載以及彎管橫管長(zhǎng)度在不同入射波高和周期下對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩的影響，為進(jìn)一步的大功率裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供了理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 造波系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備及儀器

本研究物理模型試驗(yàn)全部在海軍工程實(shí)驗(yàn)室的斷面物理模型試驗(yàn)水槽中進(jìn)行。水槽長(zhǎng)50m、寬1.2m、深1.2m，為隨機(jī)波波流耦合水槽。試驗(yàn)的測(cè)量設(shè)備及儀器包括DS－30型多功能數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)以及配套使用的波高儀。

1.2 裝置結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)參數(shù)

本研究以前人設(shè)計(jì)的裝置型式為基礎(chǔ)，參考青島地區(qū)海域波浪要素，依據(jù)重力相似原理（長(zhǎng)度比尺1∶16），給出了BBDB浮體裝置的設(shè)計(jì)尺寸（模型值），見(jiàn)圖2。裝置長(zhǎng)850mm，寬400mm，高650mm。后彎管水平段長(zhǎng)850mm，垂直段長(zhǎng)650mm，屬長(zhǎng)寬比為2∶1的矩形管，即截面長(zhǎng)400mm，寬200mm。為給裝置提供浮力并保持其平衡，設(shè)置650mm×440mm×400mm的長(zhǎng)方體浮室。

圖2 裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Sketch of BBDB device

在物理模型試驗(yàn)中，為更好的測(cè)定裝置氣室內(nèi)水柱的振蕩情況，BBDB模型裝置采用鋼支架直接固定于水槽當(dāng)中，裝置整體運(yùn)動(dòng)與系泊問(wèn)題將在以后的研究中陸續(xù)展開(kāi)。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容及工況組合

為更好的考察入射波參量和形狀參量對(duì)裝置的水動(dòng)力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)主要從以下3個(gè)方面進(jìn)行：

（1）氣室頂部開(kāi)敞輸氣管封閉時(shí)水柱的振蕩情況。該方面試驗(yàn)可考察氣室內(nèi)水柱振蕩幅度與入射波波高和入射波周期之間的關(guān)系及氣室完全開(kāi)敞對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩的影響。

（2）輸氣管添加不同負(fù)載時(shí)氣室內(nèi)水柱的振蕩情況。輸氣管分別為空載、添加直徑62mm孔板負(fù)載、添加31mm孔板負(fù)載，見(jiàn)圖3（a）。該方面試驗(yàn)可考察輸氣管添加不同負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩的影響。

（3）彎管向后伸不同長(zhǎng)度時(shí)氣室內(nèi)水柱的振蕩情況。氣室頂部封閉，輸氣管添加31mm孔板負(fù)載，橫管長(zhǎng)度分別為初始長(zhǎng)度、向后延伸150mm、向后延伸300mm，見(jiàn)圖3（b）。該方面試驗(yàn)可考察橫管長(zhǎng)度對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩的影響。

圖3 裝置細(xì)部特征Fig.3 Details of BBDB device

表1 入射波要素一覽表Table 1 Incident wave conditions

表2 裝置模型試驗(yàn)工況一覽表Table 2 Shape parameter conditions

表1給出了物理模型試驗(yàn)中規(guī)則波的波浪要素，表2給出了試驗(yàn)工況。共進(jìn)行試驗(yàn)72組。波浪要素的變化范圍為：波高H＝6.25～12.50cm，周期T＝1～1.75s。試驗(yàn)水深為70cm，裝置橫管上表面距平均水位距離為15cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 入射波要素的影響

2.1.1 入射波高的影響 圖4給出了BBDB波力發(fā)電裝置（工況1）在入射波H0＝6.25cm，周期T＝1.75s（模型值）時(shí)氣室內(nèi)水柱的振蕩情況，紅色線為平均水位線，黑色線為裝置輪廓線和氣室內(nèi)水位線。比較水槽同一截面上氣室內(nèi)外波面變化可知，入射波波面運(yùn)動(dòng)同氣室內(nèi)水柱振蕩間存在約0.375T的相位差。

周期T＝1.75s時(shí)，不同入射波波高下氣室內(nèi)水柱表面變化時(shí)程曲線如圖5所示。由圖可見(jiàn)：氣室內(nèi)波高隨入射波高的增大而增大，水柱振蕩基本呈規(guī)律的正弦曲線，且運(yùn)動(dòng)周期同入射波周期相同。需要指出的是，受到水槽邊壁以及裝置與波浪場(chǎng)相互作用影響，氣室內(nèi)波高并非固定不變。

氣室內(nèi)波高和相對(duì)波高隨入射波高的變化見(jiàn)圖6。圖中橫軸為入射波高，縱軸分別為氣室內(nèi)波高和相對(duì)波高，不同曲線代表不同入射波周期情況下波高和相對(duì)波高的變化：氣室內(nèi)波高和相對(duì)波高均隨著入射波周期的增大而增大。T＝1.75s時(shí)，相對(duì)波高接近2，T＜1.50s時(shí)，相對(duì)波高小于0.8。這說(shuō)明氣室內(nèi)水柱的振蕩對(duì)大周期響應(yīng)較好。值得一提的是，氣室內(nèi)波高的增速要小于入射波波高的增速，且增速隨入射波波高增加而變緩。

2.1.2 入射波周期的影響 入射波波高H0＝9.38 cm，周期T＝1.25s時(shí)，氣室內(nèi)水柱振蕩情況如圖7所示（工況1）。此時(shí)入射波波面運(yùn)動(dòng)同氣室內(nèi)水柱振蕩間存在0.125T的相位差。入射波周期T＝1.50s時(shí)，相位差為0.250T；T＝1.75s時(shí)，相位差為0.375T。可見(jiàn)相位差的大小同入射波周期的大小密切相關(guān)。

圖4 氣室內(nèi)外波面變化，（T＝1.75s，H0＝6.25cm）Fig.4 Wave elevations（T＝1.75s，H0＝6.25cm）

圖5 氣室內(nèi)水面變化曲線，T＝1.75sFig.5 Curves of wave elevation in chamber

圖6 氣室內(nèi)波高和相對(duì)波高隨入射波高變化Fig.6 The wave height and the relative wave height variation with the incident wave height

圖7 氣室內(nèi)外波面變化（T＝1.25s，H0＝9.38cm）Fig.7 Wave surface changes while T＝1.25s，H0＝9.38cm

入射波波高H0＝9.38cm時(shí)，不同入射波周期情況下氣室內(nèi)水柱表面變化時(shí)程曲線見(jiàn)圖8。入射波周期較小時(shí)（T＝1.00、1.25s），氣室內(nèi)水柱振蕩較弱，波高較小，相對(duì)較大波高出現(xiàn)次數(shù)較少。水柱振蕩無(wú)明顯規(guī)律，屬無(wú)序振蕩。當(dāng)入射波周期增大至1.50s以上時(shí)，氣室內(nèi)波高明顯增加，水柱振蕩基本呈規(guī)律的正弦曲線。由圖可見(jiàn)，氣室內(nèi)水柱振蕩受入射波周期影響明顯，入射波周期較小時(shí)，氣室內(nèi)水柱呈無(wú)序振蕩且波高較小。入射波周期較大時(shí)（T＞1.5s），氣室內(nèi)水柱振蕩劇烈，呈明顯的正弦曲線。

圖8 氣室內(nèi)水面變化曲線，H＝9.38cmFig.8 Curves of wave elevation in chamber

圖9給出了入射波高對(duì)相對(duì)波高變化的影響。相對(duì)波高隨入射波周期的增大而增大，入射波周期越大，增速越快。氣室內(nèi)相對(duì)波高受入射波周期影響較大，受入射波波高影響較小，同周期下不同入射波波高氣室內(nèi)相對(duì)波高基本一致。這說(shuō)明在入射波周期較大時(shí)，氣室功能性能較好。增加入射波波高能有效提升氣室輸出功率，但對(duì)波能利用率影響較小。此類裝置更適合在入射波周期較大的情況下工作。

圖9 入射波高對(duì)相對(duì)波高變化的影響Fig.9 Effects of incient wave heights on relative wave height

2.2 負(fù)載因素的影響

輸氣管添加負(fù)載后，不同波要素下氣室內(nèi)水柱表面運(yùn)動(dòng)更為平穩(wěn)，基本呈一條直線升降，見(jiàn)圖10（工況3）。觀察不同負(fù)載對(duì)相對(duì)波高的影響可知（圖11）：入射波周期較小時(shí)，輸氣管內(nèi)添加不同負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩影響較小，不同工況間氣室內(nèi)相對(duì)波高基本相同。周期較大時(shí)，輸氣管添加負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩影響明顯，添加不同負(fù)載的氣室內(nèi)相對(duì)波高存在顯著差別。輸氣管添加31mm孔板負(fù)載時(shí)相對(duì)波高下降明顯，僅為其它工況的1/2左右。在相同入射波周期下（T＝1.75s），氣室頂部開(kāi)敞時(shí)與輸氣管添加31mm孔板負(fù)載時(shí)入射波波面運(yùn)動(dòng)同氣室內(nèi)水面運(yùn)動(dòng)間的相位差不同，分別為0.375T和0.5T，說(shuō)明輸氣管負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩有延遲作用。

2.3 彎管向后延伸長(zhǎng)度的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，入射波波面運(yùn)動(dòng)同氣室內(nèi)水柱振蕩間存在相位差，相位差的大小同橫管的長(zhǎng)度密切相關(guān)。以本試驗(yàn)為例，橫管越長(zhǎng)，相位差越大。分析原因，由于橫管長(zhǎng)度不同，入射波的運(yùn)動(dòng)在彎管入水口處與氣室處呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，從而導(dǎo)致入射波波面運(yùn)動(dòng)同氣室內(nèi)水柱振蕩間存在相位差。

圖12給出了不同橫管長(zhǎng)度下氣室內(nèi)相對(duì)波高沿入射波周期的分布情況。隨著彎管向后延伸，相對(duì)波高有小幅下降。這說(shuō)明橫管長(zhǎng)度對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩有一定的影響，但影響相對(duì)較小。

圖10 氣室內(nèi)外波面變化（T＝1.75s，H0＝12.50cm）Fig.10 Wave surface changes while T＝1.75s，H0＝12.50cm

圖11 不同負(fù)載對(duì)相對(duì)波高的影響Fig.11 Effects of loads types on relative wave heights

圖12 延伸長(zhǎng)度對(duì)相對(duì)波高的影響Fig.12 Effects of extending length on relative wave heights

3 結(jié)論

本文分析了入射波要素、輸氣管負(fù)載因素及彎管橫管長(zhǎng)度對(duì)氣室工作性能的影響，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)：

（1）入射波波面運(yùn)動(dòng)同氣室內(nèi)水柱振蕩間存在相位差，相位差的大小受到入射波周期和橫管長(zhǎng)度的影響，輸氣管內(nèi)添加負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)水柱的振蕩有延遲作用。

（2）氣室內(nèi)水柱振蕩隨入射波波高的增加變的更為劇烈，但增幅趨緩。相對(duì)波高與入射波波高基本呈線性關(guān)系，周期較小時(shí)變化較小，周期較大時(shí)下降明顯。

（3）入射波周期較小時(shí)，氣室內(nèi)水柱振蕩較弱，屬無(wú)序振蕩。入射波周期較大時(shí)，氣室內(nèi)波高明顯增加，水柱振蕩呈規(guī)律的正弦曲線。相對(duì)波高隨入射波周期的增大而增大，且入射波周期越大，相對(duì)波高的增速越快。說(shuō)明該裝置更適合在入射波周期較大的波況下工作。

（4）輸氣管添加有效負(fù)載后，氣室內(nèi)水柱運(yùn)動(dòng)趨于平穩(wěn)，水柱振幅明顯變小。這是由于氣室內(nèi)氣柱同外界大氣直接接觸的面積減小，氣流進(jìn)出輸氣管時(shí)流速會(huì)有一個(gè)由慢變快再變慢的過(guò)程，對(duì)空氣進(jìn)出產(chǎn)生阻力，進(jìn)而導(dǎo)致水柱振幅變小。入射波周期較小時(shí)，輸氣管內(nèi)添加不同負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩影響較小。入射波周期較大時(shí)，輸氣管添加負(fù)載對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩影響較大，添加不同負(fù)載時(shí)相對(duì)波高存在顯著差別。

（5）隨著彎管向后延伸，氣室內(nèi)相對(duì)波高小幅下降。這說(shuō)明橫管長(zhǎng)度對(duì)氣室內(nèi)水柱振蕩存在影響。

綜上所述，此類裝置更適合在大周期、大波高的海況下工作。減少輸氣管負(fù)載，合理確定橫管長(zhǎng)度能夠有效提升裝置的工作性能。

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