Workbench中常見振蕩浮子的水動力虛擬實(shí)驗(yàn)研究*

趙知辛，黃 蘭，王方成，牛建華

(陜西理工學(xué)院，陜西漢中 723000)

0 引言

占地球表面積71%的海洋蘊(yùn)藏著巨大的可再生能源，主要包括海洋風(fēng)能、潮汐能、波浪能、海流能、溫差能和鹽差能等［1］。隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的提高，社會對能源的需求越來越大，波浪能的開發(fā)利用也得到了很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者的關(guān)注。國內(nèi)外很多類型波浪發(fā)電裝置已經(jīng)開始投入使用。如美國Power Buoy點(diǎn)吸收式波力發(fā)電站［2］、葡萄牙的“海蛇號波能”發(fā)電裝置(Pelamis)［3］和阿基米德懸掛式波能發(fā)電裝置(Archimedes Wave Swing)［4］。廣州能源所采用漂浮式振蕩浮子技術(shù)研發(fā)了一種點(diǎn)吸收式波浪能轉(zhuǎn)換裝置，已完成海況實(shí)驗(yàn)［5－6］。

振蕩浮子裝置波浪能的開發(fā)與利用價值形式多種多樣，比如為海上燈塔提供電能，為居住在遠(yuǎn)離海岸島嶼上的人們提供生活與工業(yè)用電和淡水，為海上氣象浮標(biāo)、海上燈船、石油平臺體供電等［7］。振蕩浮子式裝置中，浮子捕獲波能的高低將影響其能量的轉(zhuǎn)化，所以浮子水動力分析研究對提高振蕩波能發(fā)電裝置中電能的轉(zhuǎn)化效率具有重要的意義。海洋的動力響應(yīng)主要分為波頻響應(yīng)、低頻響應(yīng)和高頻響應(yīng)三種。其中波頻響應(yīng)為一階運(yùn)動響應(yīng)，主要由波浪直接作用在物體上引起;低頻響應(yīng)為縱蕩、橫蕩和首搖三個共振響應(yīng)，主要由波浪慢漂力、風(fēng)力所產(chǎn)生;高頻響應(yīng)則為垂蕩、橫搖和縱搖三個共振響應(yīng)，由高階波浪效應(yīng)引起的。波頻響應(yīng)和垂蕩響應(yīng)對浮子捕獲波能的效率影響力較大。筆者通過ANSYS軟件利用workbench中的Hydrodynamic Diffraction的模塊對浮子進(jìn)行水動力虛擬實(shí)驗(yàn)，研究波頻響應(yīng)和垂蕩響應(yīng)對浮子捕獲波能的效率影響，并且對浮子進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳尺寸。

1 物理模型的建立

1.1 模型的建立

圖1 三種振蕩波能浮子模型

常用的振蕩波能浮子模型有三種，分別為圓柱型浮子、圓錐型浮子以及陀螺型浮子。利用Hydrodynamic Diffraction建立浮子的簡單模型，在Geometry中的模型如圖1。在建立模型時，模型以xy水平面分割成上下兩部分，浮出水面的上部分(即分割的上部分)高度為出水高度h0，潛入水下的下部分(即分割的下部分)高度為吃水深度h1，水截面積的圓半徑為R，圓錐角為2α。

1.2 物理模型的建立以及水域的參數(shù)

振蕩波能浮子主要是利用波能的振蕩轉(zhuǎn)化自身的垂直運(yùn)動而捕獲波浪能。內(nèi)部也有著復(fù)雜的機(jī)械轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)，為了更好的與實(shí)際相符合，需要考慮慣性力和外力以及力矩。因此需要在Hydrodynamic Diffraction中需要設(shè)置模型的點(diǎn)質(zhì)量。計(jì)算回轉(zhuǎn)半徑時，假設(shè)模型的質(zhì)量全部集中在模型的底部，即下部分是用鐵實(shí)心填充。這是符合實(shí)際情況，由于潛入水中的部分受到大部分的力，剛度和強(qiáng)度的要求比浮出水面部分要高很多，因此質(zhì)量集中在底部，也有助于其的穩(wěn)定性。同時隨著吃水深度鐵的密度ρ=7 850 kg/m3水的密度為ρ0=1 000 kg/m3。有關(guān)模型的點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)計(jì)算如表1所示。

表1 模型的點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)計(jì)算

表2 水域環(huán)境參數(shù)

2 水動力虛擬實(shí)驗(yàn)

2.1 圓柱浮子與圓錐浮子的水動力分析

水上部分受到海平面風(fēng)的作用力和少量海水的附著與沖擊，其取值影響激勵力的大小，主要對低頻響的影響較大，而對Z方向上的激勵力影響甚微，主要影響Z方向激勵力大小的是其吃水部分的形狀。設(shè)置波浪頻率為0.2 Hz。在上部分取定值為0.6 m的情況下，研究吃水深度和圓錐角的改變對Z方向激勵力的改變。通過文獻(xiàn)［8］、［9］可知，水截面積的圓半徑在1～2 m之間為較佳選擇，在吃水深度為0.2～1.2 m的范圍內(nèi)，以步長為0.2 m來分析Z方向的激勵力變化情況。如圖2所示。

圖2 圓柱型浮子和圓錐型浮子在不同吃水深度下產(chǎn)生的z方向上的激勵力

其實(shí)圖中得到的激勵力是總的力在垂直于水平面即Z方向的平均分力，其實(shí)還要除以Z方向的吃水深度，所以得到的是Z方向每一米內(nèi)的激勵力。由于水下部分不可能是受力情況是均勻的，而為了方便比較因此得到的Z方向的力是平均力，而是得到一米的高度所受到的垂直方向上的激勵力。在本文中為了好比較垂直方向的激勵力大小，一下所說的都是每米的平均垂直方向的激勵力。在Z方向上，圓柱型浮子受到的激勵力隨著吃水深度的增加而呈現(xiàn)出線性遞減;圓錐型浮子受到的激勵力緩慢減小，可見吃水深度對圓柱型浮子激勵力影響較大。在滿足質(zhì)量輕、費(fèi)料少、剛度以及強(qiáng)度的需求下，對實(shí)際海域中的圓柱型浮子優(yōu)化首先應(yīng)考慮其吃水深度。從圖2中得到圓錐型浮子的捕獲波能的性能要比圓柱型浮子高。

2.2 陀螺浮子的水動力分析

2.2.1 模型網(wǎng)格的劃分

陀螺型浮子可以說成是由圓柱型和圓錐型浮子相結(jié)合成的組合型浮子。從圖2可知，圓錐型浮子取吃水深度為0.6 m時，不僅滿足費(fèi)料少，而且不影響捕獲波能的性能。從而設(shè)定陀螺型浮子的水上高度為0.6 m，吃水深度為0.6 m，水截面積的圓半徑為1.6 m。因此建立如圖3所示陀螺浮子，并對其進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。節(jié)點(diǎn)數(shù)為6 812，元素?cái)?shù)為6 810。最大尺寸為10 cm，變形公差為5 cm。

圖3 陀螺浮子網(wǎng)格劃分

2.2.2 水域中的水動力模擬

設(shè)置相同的水域環(huán)境，對Z方向的激勵力求解。得到陀螺型浮子隨波浪頻率變化所產(chǎn)生的Z方向激勵力。如圖4所示。

圖4 陀螺型浮子在不同波浪頻率下產(chǎn)生的Z方向激勵力

圖4 中陀螺型浮子在0.2 Hz下的激勵力是62 709.996 N，然而在下部分相同的圓錐型浮子是62 216.621 N。顯然陀螺型浮子的激勵力要大一些，可以看出，陀螺型浮子比圓錐型浮子捕獲波能方面要強(qiáng)些。整體來看，陀螺型浮子在節(jié)省材料方面也優(yōu)于圓錐型浮子。陀螺型浮子在波浪頻率增加中，激勵力反而下降。不同的波浪頻率，獲得的激勵力大小也不同，因此對水域的考察很重要。特別是要在低波浪頻率比較常出現(xiàn)的一些水域中放置才能有效的提高對波浪能的吸收。

打開此模塊中model，設(shè)置相同的水域環(huán)境，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，在solution中添加3個Added Mass，分別設(shè)置x、y、z方向。點(diǎn)擊solve求解，得到圖5所示數(shù)據(jù)。

圖5 陀螺型浮子在不同波浪頻率下的附加質(zhì)量

從圖5中可知，在z方向上陀螺型浮子隨著波浪頻率其附加質(zhì)量逐漸減小，說明波浪頻率越高對其自身結(jié)構(gòu)的影響越小。在x、y方向上的附加質(zhì)量比較小，對其自身結(jié)構(gòu)的影響小。如果波浪頻率在0.1～1 Hz期間，z方向上的附加質(zhì)量對其結(jié)構(gòu)影響最大，同時隨著頻率的增加，其影響減小。

在solution中添加3個Radiation Damping，分別設(shè)置x、y、z方向。點(diǎn)擊solve求解，得到圖6所示數(shù)據(jù)。

圖6 陀螺型浮子在不同波浪頻率下的輻射阻尼

從圖6中可知，波浪頻率在0.5～0.63 Hz期間Z方向上所受到的輻射阻尼最大。在高頻波浪下所受的Z方向輻射阻尼比較大，因此在高頻波浪下，Z方向的激勵力受到抑制。在x、y方向上所受到的輻射阻尼要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Z方向的輻射阻尼，因此在此種情況下螺旋型浮子的搖擺力受到的抑制小。

3 結(jié)論

本文研究了振蕩波能發(fā)電裝置的常見浮子水動力分析及優(yōu)化主要結(jié)論如下。

利用Ansys分析軟件，通過改變圓錐型浮子和圓柱型浮子的吃水深度，總結(jié)得到圓錐型浮子的捕獲波能的性能要比圓柱型浮子高;圓柱型浮子受吃水深度影響較大。驗(yàn)證了Ansys分析軟件中的Hydrodynamic Diffraction模塊的可靠性。

通過對陀螺型浮子進(jìn)行水動力分析，總結(jié)出其捕獲波能方面較強(qiáng);在波浪頻率增加中，激勵力反而下降。在低波浪頻率比較常出現(xiàn)的一些水域中放置才能有效的提高對波浪能的吸收;在高頻波浪的海域中應(yīng)該充分利用其搖擺運(yùn)動進(jìn)行發(fā)電。

［1］ 鄧穎北，熊 雯.海洋能的開發(fā)與利用［J］.可再生能源，2004(3):70－72.

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