分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)受力試驗(yàn)研究

徐 國(guó),紀(jì)君娜,曲恒良,劉 臻*

(1.中交煙臺(tái)環(huán)保疏浚有限公司,山東煙臺(tái)264000;2.山東省膠東調(diào)水工程棘洪灘水庫管理處,山東青島266111; 3.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島266100)

分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)受力試驗(yàn)研究

徐 國(guó)1,紀(jì)君娜2,3,曲恒良3,劉 臻3*

(1.中交煙臺(tái)環(huán)保疏浚有限公司,山東煙臺(tái)264000;2.山東省膠東調(diào)水工程棘洪灘水庫管理處,山東青島266111; 3.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東青島266100)

分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置作為一種重要的波能轉(zhuǎn)換型式,在開發(fā)利用波浪能的同時(shí),可與防波堤或護(hù)岸工程相結(jié)合,將海岸工程的被動(dòng)消能變?yōu)橹鲃?dòng)吸能,提高綜合效益。在實(shí)際工程應(yīng)用中,分層斜坡越浪式發(fā)電裝置引浪面在波浪荷載作用下的安全性成為首要問題,由于其引浪面與防波堤或護(hù)岸的護(hù)面對(duì)水體磨阻影響不同,因此水體對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力不同,已有的斜坡式防波堤所受波浪荷載的研究無法用于指導(dǎo)分層斜坡越浪式發(fā)電裝置引浪面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。通過水工物理模型試驗(yàn),對(duì)分層越浪裝置引浪面在不同波況條件下的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行研究分析,獲得越浪裝置引浪面上點(diǎn)壓力及波浪力的分布規(guī)律,為裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)及設(shè)計(jì)支持。

分層斜坡越浪;引浪面;結(jié)構(gòu)受力;試驗(yàn)

目前,全球能源緊張,環(huán)境污染日益嚴(yán)重,發(fā)展可再生能源成為人類社會(huì)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要趨勢(shì)。波浪能能量密度高,在海洋中傳播廣泛,因此具有巨大的開發(fā)潛力[1]。國(guó)際上提出的波浪能量轉(zhuǎn)換技術(shù)按俘獲技術(shù)分類主要有振蕩浮子式(點(diǎn)吸收式)、鴨式、振蕩水柱式、筏式、擺式和越浪式等[2]。斜坡越浪式波能發(fā)電裝置主要原理:波浪通過引浪面進(jìn)行爬升,越入引浪面后方蓄水池,經(jīng)過波浪多次越入,蓄水池水位達(dá)到一定高度后,釋放水體,水體返回大海過程中驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)實(shí)現(xiàn)波能轉(zhuǎn)換。斜坡越浪式波能發(fā)電裝置在開發(fā)利用波浪能的同時(shí),可與防波堤或者護(hù)岸結(jié)構(gòu)相結(jié)合,變被動(dòng)消能為主動(dòng)吸能,提高綜合效益。對(duì)于固定式波能發(fā)電裝置而言,潮差大會(huì)降低裝置的吸能及發(fā)電時(shí)間[3]。為突破大潮差的限制,提高斜坡越浪式波能發(fā)電裝置吸能發(fā)電水平,提出分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置。將斜坡越浪式波能發(fā)電裝置設(shè)置為多層型式,以適應(yīng)不同潮位,保證各個(gè)潮位下裝置的吸能及發(fā)電水平。

防波堤或護(hù)岸結(jié)構(gòu)的作用是保證其掩護(hù)水域水面穩(wěn)定或者保護(hù)岸堤安全,因此其坡面多鋪設(shè)護(hù)面塊體結(jié)構(gòu)[4],加強(qiáng)越浪水體能量耗散。而分層斜坡越浪式發(fā)電裝置為實(shí)現(xiàn)波浪能發(fā)電最大化,需要大量水體越入蓄水池,引浪面設(shè)計(jì)需要盡可能光滑。二者對(duì)水體的影響作用不同,水體對(duì)引浪面結(jié)構(gòu)的荷載作用亦不同,因此對(duì)防波堤或護(hù)岸結(jié)構(gòu)波浪荷載的研究無法用于斜坡越浪式發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

楊宗宇等[5]設(shè)計(jì)優(yōu)化越浪式波能發(fā)電裝置,并通過模型試驗(yàn)對(duì)不同波況下結(jié)構(gòu)的受力進(jìn)行探究,歸納總結(jié)得到了單層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置在不同波況條件下波壓力變化的規(guī)律。由于分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置在結(jié)構(gòu)型式及工作海況等方面相對(duì)復(fù)雜,對(duì)于該類裝置引浪面在波浪中的受力情況并不明確。為保證分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置的安全性及可靠性,對(duì)其在極限波況條件下進(jìn)行受力分析研究是十分必要的。

(陳 靖 編輯)

本文在斜坡越浪式波能發(fā)電裝置基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)并加工分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置,通過物理模型試驗(yàn),測(cè)量獲得不同水深、不同波浪要素條件下分層越浪裝置引浪面上點(diǎn)壓力及波浪力,總結(jié)分析引浪面上波壓力的變化規(guī)律及分布規(guī)律。

1 物理模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)波流水槽

本文中水工物理模型試驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的波流水槽(圖1)中進(jìn)行。該水槽長(zhǎng)30 m,寬0.6 m,高1 m,最大工作水深0.6 m。造波機(jī)為低慣量伺服電機(jī)推板式造波機(jī),安裝于水槽首端。造波機(jī)通過波流軟件控制造波,造波波高0.02～0.20 m,周期0.6～2.0 s,造波能力滿足試驗(yàn)要求。水槽末端布置多層消波網(wǎng),用于吸收波浪能量,減小反射。

圖1 波流水槽Fig.1 Wave flume

1.1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

本文試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕?部分:下層引浪面、下層蓄水池、上層引浪面及上層蓄水池,裝置設(shè)計(jì)尺寸如圖2所示。為研究斜坡越浪式發(fā)電裝置引浪面所受波浪作用力,在模型引浪面上安裝18個(gè)壓力傳感器,編號(hào)p1～p18。壓力傳感器總共布置6排,每排3個(gè),編號(hào)為p1～p6壓力傳感器安裝在分層越浪裝置上層引浪面上,編號(hào)為p7～p18壓力傳感器安裝在裝置下層引浪面上,壓力傳感器布置水平間距為14 cm,排間間距3.33 cm。壓力傳感器布置圖如圖3所示。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖糜诰嚯x造波機(jī)23.0 m的位置,該位置波浪穩(wěn)定,入射波浪滿足試驗(yàn)波況要求,裝置在水槽中的整體布置示意圖如圖4所示。

圖2 裝置整體示意圖Fig.2 Sketch of the overall OWEC device

圖3 壓力傳感器布置圖Fig.3 Layout of the pressure sensor

圖4 分層越浪裝置整體布置示意圖Fig.4 Overall layout diagram of the OWEC device

1.1.3 數(shù)據(jù)測(cè)量采集設(shè)備

1)波高儀 在試驗(yàn)前期率波及正式試驗(yàn)過程中,采用SG2000型智能數(shù)據(jù)采集儀(圖5)與配套的電容式波高儀(圖6)進(jìn)行波浪要素的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)。

圖5 SG2000型智能數(shù)據(jù)采集儀Fig.5 SG2000-type intelligent data acquisition instrument

圖6 波高儀Fig.6 Wave-height gauge

2)波壓力傳感器 裝置上下層引浪面所受的波浪壓力通過CY203型微探頭數(shù)字壓力傳感器(圖7)進(jìn)行采集測(cè)量。該壓力傳感器充分利用其微處理器的處理和存儲(chǔ)能力,可以直接輸出顯示存儲(chǔ)的數(shù)字信號(hào)。該類壓力傳感器量程為-20～30 k Pa,精度為量程的0.1%。

3)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng) 分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置的波浪要素?cái)?shù)據(jù)由SG2000智能采集儀完成數(shù)據(jù)采集,由配套的“DS-30型數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)軟件”進(jìn)行波浪要素的統(tǒng)計(jì)分析處理。裝置上下層引浪面上的波壓力經(jīng)由485-20型數(shù)字傳感器集線器(圖8)進(jìn)行收集上傳,利用配套軟件“Smart Sensor”進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)分析。

圖7 壓力傳感器Fig.7 Pressure sensor

圖8 485-20型數(shù)字傳感器集線器Fig.8 485-20-type digital sensor hub

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 相似準(zhǔn)則及試驗(yàn)比尺

考慮到試驗(yàn)中重力起到?jīng)Q定性作用,因此本試驗(yàn)比尺按照重力相似準(zhǔn)則[6]設(shè)計(jì)。綜合考慮試驗(yàn)設(shè)備性能、模型尺寸及波浪條件,本試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度比尺λl=16。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則,可得本次試驗(yàn)中速度比尺為

時(shí)間比尺為

本次試驗(yàn)中密度比尺λρ=1,則力的比尺為

壓強(qiáng)比尺為

式中,λA為面積比尺。

1.2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),極端荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力狀況是判斷結(jié)構(gòu)安全與否的重要依據(jù)。因此,本文將在大波高(波高為10 cm)條件下研究模型引浪面所受波浪荷載,分析總結(jié)相應(yīng)的波壓力變化規(guī)律及分布規(guī)律。具體試驗(yàn)工況如表1所示。

表1 入射波要素一覽表Table 1 List of incident wave elements

試驗(yàn)準(zhǔn)備階段需對(duì)壓力傳感器進(jìn)行率定校核,保證實(shí)際數(shù)據(jù)與傳感器輸出數(shù)據(jù)間誤差在2%以內(nèi)。壓力傳感器采樣頻率設(shè)定為50 Hz。率定結(jié)果如圖9所示,壓力傳感器輸出數(shù)據(jù)的精度滿足試驗(yàn)要求。

圖9 壓力傳感器率定曲線Fig.9 Rating curve of the pressure sensor

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)過程中,壓力傳感器采集輸出的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)一些明顯異常的數(shù)據(jù),稱為特異數(shù)據(jù)或可疑數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)混入到后續(xù)的數(shù)據(jù)處理及分析中將可能導(dǎo)致得出錯(cuò)誤的結(jié)論,因此在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前,需對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,將特異數(shù)據(jù)從整個(gè)數(shù)據(jù)序列中剔除。利用肖維勒準(zhǔn)則[7]對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,壓力傳感器實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)肖維勒準(zhǔn)則處理前后對(duì)比如圖10所示,試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)肖維勒準(zhǔn)則處理之后,剔除了特異數(shù)據(jù),消除了特異數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)分析的影響,保證數(shù)據(jù)分析合理可靠。

2.1 裝置引浪面上的點(diǎn)壓力

為方便對(duì)分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置引浪面上的點(diǎn)壓力進(jìn)行分析,結(jié)合裝置引浪面上的壓力傳感器位置分布,在裝置引浪面上標(biāo)記出A,B,C,D,E,F六個(gè)位置(圖11)。在波高10 cm,周期1.2 s,水深30 cm的條件下,裝置引浪面各位置處的波浪壓強(qiáng)時(shí)程曲線如圖12所示。分析圖12可知,A～F位置處的波浪壓強(qiáng)呈現(xiàn)周期性變化,周期大小與波浪周期基本一致;水面以上位置所受荷載主要為波壓力,水面以下位置同時(shí)存在波壓力及波吸力,水深越大,波吸力主導(dǎo)作用越明顯。

圖11 模型點(diǎn)壓力位置示意圖Fig.11 Position of the point pressure

圖12 引浪面上各位置波浪壓強(qiáng)時(shí)程曲線Fig.12 Time history curve of the wave pressure at different positions on the wave-guide slope surface

取裝置引浪面每個(gè)位置上波浪壓強(qiáng)時(shí)程曲線的峰值(考慮到試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性,對(duì)每個(gè)波取其峰值,然后取前1/3大波峰值進(jìn)行平均)作為該位置處的點(diǎn)壓力。每個(gè)工況進(jìn)行3次重復(fù)性試驗(yàn),取3次點(diǎn)壓力平均值作為該位置處的最終點(diǎn)壓力值。圖13～圖15分別為水深30,35,40 cm情況下,裝置各位置處的點(diǎn)壓力隨周期變化的關(guān)系曲線。

由圖13a,14a,15a可知,在水深為30,35和40 cm的情況下,裝置上層引浪面位置A處的點(diǎn)壓力均隨著周期的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì),且A處的點(diǎn)壓力值均小于B處的點(diǎn)壓力值。裝置在波高較大的波況條件下,水體在裝置引浪面上自下而上爬坡越浪,爬坡過程中由于能量不斷的消耗及部分水體的回流,水體對(duì)引浪面的作用逐漸減弱。由圖13a可知,在30 cm水深下,裝置上層引浪面位置B處的點(diǎn)壓力在周期為1.0 s時(shí)取得最大值。原因在于30 cm水深、波高為10 cm條件下,裝置上層蓄水池越浪量在周期為1.0 s時(shí)取得最大值,越浪量越大,B位置處的點(diǎn)壓力也越大。由圖14a及15a可知,在水深為35和40 cm的情況下,裝置上層引浪面位置B處的點(diǎn)壓力隨著周期的增大而增大。

由圖13b可知,在水深為30 cm、波高10 cm的情況下,裝置下層引浪面上位置C和D處的點(diǎn)壓力均隨著周期的增大而增大;位置E、F處的點(diǎn)壓力隨著周期的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),點(diǎn)壓力存在最小值。當(dāng)水位較低,裝置下層蓄水池能夠正常工作時(shí),下層引浪面處于水面附近位置處的點(diǎn)壓力較大,在進(jìn)行裝置下層引浪面設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮。由圖14b可知,在水深為35 cm的情況下,在周期為0.8與1.4 s時(shí),下層引浪面上C,D,E,F四個(gè)位置處的點(diǎn)壓力自上往下逐漸減小;在周期為1.0與1.2 s時(shí),4個(gè)位置處的點(diǎn)壓力同周期下數(shù)值差別較小。當(dāng)水位恰好淹沒裝置下層蓄水池,下層引浪面頂端位置處的點(diǎn)壓力較大,是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重點(diǎn)。由圖15b可知,在水深40 cm、波高10 cm的情況下,位置C和D處的點(diǎn)壓力在周期為1.0 s時(shí)取得最大值,然后隨著周期的增加逐漸下降;位置E和F處的點(diǎn)壓力隨著周期的增加先增大后減小,在周期為1.2 s時(shí)取得最大值。

圖13 30 cm水深下裝置點(diǎn)壓力與周期關(guān)系曲線Fig.13 Relationship between the point pressure and the wave period for the device at a water depth of 30 cm

圖14 35 cm水深下裝置點(diǎn)壓力與周期關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between the point pressure and the wave period for the device at a water depth of 35 cm

圖15 40 cm水深下裝置點(diǎn)壓力與周期關(guān)系曲線Fig.15 Relationship between the point pressure and the wave period for the device at a water depth of 40 cm

3 結(jié) 論

通過水工物理模型試驗(yàn),研究了分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置引浪面在不同波況及吃水深度情況下的受力,總結(jié)得到引浪面上波壓力的變化規(guī)律及分布規(guī)律如下:

1)分層斜坡越浪式波能發(fā)電裝置引浪面位于水位以上部分受到波壓力作用,水位以下部分受到波壓力及波吸力交替作用,引浪面所受波浪荷載作用呈周期性變化,且變化周期與波浪周期相同;

2)裝置上層引浪面所受波浪荷載隨著水深及波浪周期的增加而增大,并且上層引浪面下部受到波浪作用大于上部;

3)不同水位條件下,波高一定,裝置下層引浪面上各個(gè)位置處的點(diǎn)壓力隨著周期變化呈現(xiàn)出各不相同的變化規(guī)律,但下層引浪面上部所受荷載始終處于相對(duì)較高水平,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中下層引浪面頂部附近應(yīng)增加強(qiáng)度,以應(yīng)對(duì)波浪荷載。

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An Experimental Study on Structural Stress of Slope-type OWEC of Double Reservoirs

XU Guo1,JI Jun-na2,3,QU Heng-liang3,LIU Zhen3
(1.Cccc.TDC Yantai Enviromental Protection Dredging Co.,Ltd.,Yantai 266400,China; 2.Jihongtan Reservoir Management Section of Management Bereau of Water Diversion from the Yellow River into Qingdao of Shandong Province,Qingdao 266111,China; 3.Collge of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

As an important type of wave energy convertor,the slope-type overtopping wave energy convertor(OWEC)can be installed together with breakwater or revetment,which can not only turn passive energy dissipation into active energy absorption in the development and utilization of wave energy,but also enhance comprehensive benefits.In practical engineering application,the safety of the wave-guide slope surface of OWEC under the action of wave load becomes one of the most important issues.Because the influence of the slope surface of OWEC on the water resistance differs from that of the armor of breakwater or revetment,the acting force of the water body on the structure is different.The existing studies of the wave load on slope-type breakwater cannot be applied for guiding the design of the structural strength of the wave-guide slope surface of OWEC.In order to study the structural stress of the wave-guide slope surface of OWEC,hydraulic physical model experiments are conducted under different wave conditions,by which a distribution law of the point pressure and the wave force on the wave-guide slope surface of OWEC is obtained,providing theoretical guidance and design support for the structural design of OWEC.

OWEC;wave-guide slope surface;structural stress;experiment

December 25,2016

P743.2

A

1002-3682(2017)02-0048-10

10.3969/j.issn.1002-3682.2017.02.006

2016-12-25

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目——新型分層斜坡越浪式波能裝置能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵技術(shù)研究(2016GSF115016)

徐 國(guó)(1980-),男,工程師,碩士,主要從事地理信息與測(cè)量方面研究.E-mail:xuguo@tdc-2.com

*通訊作者:劉 臻(1979-),男,教授,博士,主要從事海洋可再生能源開發(fā)與利用方面研究.E-mail:liuzhen@ouc.edu.cn