離岸式振蕩水柱串聯(lián)氣室三維仿真分析

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(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

“透明海洋”觀測(cè)體系通過(guò)信號(hào)發(fā)射接收無(wú)線(xiàn)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)等無(wú)線(xiàn)傳感設(shè)備對(duì)海洋多尺度變化進(jìn)行檢測(cè)及預(yù)測(cè),振蕩水柱波能轉(zhuǎn)換裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠，可提供持續(xù)電能。李宏偉[1]采用源函數(shù)造波方法與搖板造波方法在二維模式下對(duì)線(xiàn)性和非線(xiàn)性波分別進(jìn)行了系統(tǒng)研究。李勝忠[2]模擬線(xiàn)性波并分析穩(wěn)定波場(chǎng)沿程衰減規(guī)律。王永學(xué)[3]應(yīng)用VOF方法建立了二維數(shù)值波浪水槽模型，模擬造波機(jī)產(chǎn)生的速度與波面變化。金鳳等[4]、楊全[5]模擬分析數(shù)值水槽與結(jié)構(gòu)物相互作用。Kim等[6]采用推板造波法模擬均勻流海洋中固定結(jié)構(gòu)受力數(shù)值。Strati等[7]數(shù)值計(jì)算了U-OWC系統(tǒng)時(shí)間和頻率域響應(yīng)。辛穎[8]利用UDF定義造波板邊界和動(dòng)量源項(xiàng)實(shí)現(xiàn)造波消波模擬分析。Elhanafia等[9-10]建立三維海上OWC模型進(jìn)行試驗(yàn)和仿真研究氣室尺寸和空氣壓縮效應(yīng)對(duì)設(shè)備性能影響以及海上靜態(tài)浮動(dòng)振蕩水柱(OWC)上的流體動(dòng)力波載荷。Mahnamfar等[11]改變OWC氣室的長(zhǎng)度、寬度和角度以獲得最大的系統(tǒng)功率。郭惟嘉等[12]應(yīng)用流固耦合研究了斷層水突出的承壓水流動(dòng)規(guī)律。韓寶坤等[13]基于流體動(dòng)力學(xué)模型研究了泄露口的泄漏速率與管內(nèi)壓力關(guān)系。Elhanafia 等[10]基于RANS方程建立振蕩水柱模型研究在海上靜態(tài)浮動(dòng)下的流體動(dòng)力波載荷，結(jié)果表明在設(shè)備固有頻率下氣動(dòng)和水動(dòng)力垂直力之間存在直接關(guān)系。寧德志等[14]建立非線(xiàn)性數(shù)值模型分析腔室?guī)缀螀?shù)對(duì)前壁波浪響應(yīng)問(wèn)題，結(jié)果表明總波浪力隨著入射波高增加而增加。上述研究利用仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)OWC氣室水槽模擬造波、結(jié)構(gòu)受力以及氣室尺寸等進(jìn)行分析，探討OWC氣室水槽波面變化，總結(jié)氣室內(nèi)部氣動(dòng)功率的變化特點(diǎn)和影響因素，但未對(duì)三維模擬下氣室外形結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)優(yōu)化，缺乏分析對(duì)比不同結(jié)構(gòu)下氣室內(nèi)部具體的水動(dòng)力性能。本研究對(duì)利用ICEM軟件采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法對(duì)三維氣室仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用FLUENT軟件及其UDF功能建立三維數(shù)值波浪水槽模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維離岸式振蕩水柱氣室的高度、氣室開(kāi)孔大小參數(shù)優(yōu)化以及多氣室仿真分析。

1 三維造波及消波理論

1.1 造波理論

采用水質(zhì)點(diǎn)造波法[15]，在入口處根據(jù)波函數(shù)得到波在不同方向的流速，同時(shí)考慮波高函數(shù)，在波高函數(shù)以下位置為液相，波高函數(shù)以上位置為氣相。在VOF模型中設(shè)置相數(shù)為2，選用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。

速度勢(shì)函數(shù)：

(1)

波面方程：

(2)

由速度勢(shì)函數(shù)公式(1)求得一階近似的速度分量。

X方向分量：

(3)

Y方向分量：

(4)

1.2 消波理論

采用動(dòng)量源項(xiàng)消波法[15]，將水槽末端一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)設(shè)置阻尼層，添加方程(3)和(4)的附加動(dòng)量項(xiàng)吸收波浪避免反射作用。

(5)

(6)

式中，μ(x)為附加動(dòng)量項(xiàng)系數(shù)，其作用是控制波浪的衰減情況。其中線(xiàn)性消波系數(shù)：

(7)

式中：x1為消波區(qū)域起始位置在x軸的坐標(biāo)，x2為消波區(qū)域結(jié)束位置在x軸的坐標(biāo)。

2 三維單氣室仿真分析

2.1 三維單氣室仿真模型的網(wǎng)格劃分

在UG.NX中建立三維模型，三維水槽長(zhǎng)度L0為40 m，寬度W0為4 m，如圖1所示。在D區(qū)正中間設(shè)置氣室，距造波邊界(左端)18 m；水槽末端(E區(qū))為消波區(qū)域。對(duì)三維仿真分析采用混合網(wǎng)格劃分如圖1所示，首先，在ICEM軟件中創(chuàng)建左(A+B+C)、中(D)、右(E)三個(gè)部分，左側(cè)為造波區(qū)，中部包含氣室，右側(cè)是消波區(qū)；其次，對(duì)左部分分割成A、B、C三個(gè)模塊，在A、B模塊Y軸方向分別劃分40、50個(gè)大小相同的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在C模塊Y軸方向以1.1比率逐漸增加網(wǎng)格大小的規(guī)律劃分30個(gè)網(wǎng)格；然后，對(duì)右部分(E)創(chuàng)建塊，在X、Y、Z軸分別設(shè)置30、40、50個(gè)網(wǎng)格；對(duì)于D進(jìn)行非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。最后，將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)合成一體，使公共面上的節(jié)點(diǎn)共用，對(duì)氣室周?chē)M(jìn)行網(wǎng)格加密，其截面網(wǎng)格效果如圖2所示。

圖1 三維單氣室仿真網(wǎng)格劃分Fig.1 3D single-chamber simulation grid

圖2 三維仿真氣室附近網(wǎng)格截面圖Fig.2 3D simulation grid around the gas chamber

名稱(chēng)及單位取值水槽長(zhǎng)度L0/m40水槽寬度W0/m4水槽高度H0/m8波浪周期T/s3.5氣室長(zhǎng)度l/m2.0氣室寬度W/m2.0氣室高度h0/m1.5、2.0、2.5出氣孔d0/m0.1、0.2、0.3

2.2 三維單氣室的數(shù)值模擬參數(shù)

為了合理設(shè)計(jì)水槽幾何模型，綜合模擬的二階Stokes波的周期、波高及波長(zhǎng)等參數(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究文獻(xiàn)的波形參數(shù)及水槽模型幾何尺寸[16]，建立三維單氣室數(shù)值水槽仿真模擬的參數(shù)設(shè)置如表1所示。三維模型的仿真將氣室高度值與氣室出口直徑分別討論，即設(shè)定其一，討論另一個(gè)參數(shù)變化對(duì)輸出影響。

2.3 三維單氣室仿真效果與分析

利用FLUENT后處理功能分別創(chuàng)建水氣交界面和水槽xoy上的中間截面，得到的三維仿真截面效果圖如圖3所示。圖4為三維仿真中間截面效果圖及氣室截面偏移顯示圖，顯示氣室內(nèi)部的水面與氣室外部水面的液位差。

對(duì)氣室高度H=1.5、2.0、2.5 m分別進(jìn)行仿真分析，得到的氣室內(nèi)液面高、壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖5和圖6。圖5中，氣室高度H=1.5 m及H=2.5 m的氣室內(nèi)液面上下振動(dòng)規(guī)律比較接近，而H=2.0 m的氣室內(nèi)液面上下振動(dòng)幅度相對(duì)較大；圖6所示高度為H=1.5 m及H=2.5 m的氣室內(nèi)部壓強(qiáng)變化規(guī)律比較接近，H=1.5 m時(shí)氣室內(nèi)正壓約2 100 Pa，H=2.5 m時(shí)氣室內(nèi)正壓約2 350 Pa，而H=2.0 m的氣室內(nèi)正壓約為2 900 Pa。

圖3 三維仿真截面效果圖Fig.3 3D simulation cross-section renderings

圖4 氣室截面偏移圖Fig.4 Gas chamber section offset

圖5 液位隨氣室高度變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation of liquid level with gas chamber height

圖6 壓強(qiáng)隨氣室高度變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation of pressure with gas chamber height

圖7 氣室內(nèi)液位高度與出氣口關(guān)系曲線(xiàn)Fig.7 Relation between liquid height and air outlet

圖8 氣室內(nèi)壓強(qiáng)出氣口關(guān)系曲線(xiàn)Fig.8 Relation between pressure and air outlet

設(shè)氣室高為2.0 m分析氣室出氣孔大小對(duì)氣室內(nèi)壓強(qiáng)的影響。得到的氣室內(nèi)液面高、壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)，如圖7～8所示。圖7出口直徑0.2和0.3 m時(shí)氣室內(nèi)液面上下振動(dòng)幅度明顯大于直徑0.1 m，其中d=0.3 m時(shí)液面振動(dòng)幅度最大，表明一定尺寸范圍內(nèi)氣室開(kāi)口增大則液面上下振動(dòng)幅度增加，主要因?yàn)闅馐页鰵饪组_(kāi)口變大對(duì)氣室內(nèi)波面上下振動(dòng) “阻礙”減小。圖8為波浪進(jìn)入氣室初期(前10 s內(nèi))氣室內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間和開(kāi)口直徑變化情形。仿真結(jié)果為：Pd=0.1 m>Pd=0.2 m>Pd=0.3 m。在波浪進(jìn)入氣室一到兩個(gè)波浪周期時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，氣室開(kāi)口越小氣室內(nèi)壓強(qiáng)越高；待波浪與氣室相互作用穩(wěn)定后(約15 s)氣室內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化仿真結(jié)果為：Pd=0.2 m>Pd=0.1 m>Pd=0.3 m，表明d=0.2 m輸出壓強(qiáng)最優(yōu)，約2 800 Pa。

3 三維多氣室仿真分析

3.1 雙氣室串聯(lián)仿真分析

在單一氣室后端串聯(lián)完全相同尺寸氣室則構(gòu)成雙氣室串聯(lián)結(jié)構(gòu)。水槽的網(wǎng)格劃分采用各邊界網(wǎng)格數(shù)目可控的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與單一氣室網(wǎng)格劃分方法一致，氣室區(qū)域仍采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方法。

圖9 氣室出口的速度矢量隨時(shí)間變化矢量圖Fig.9 Velocity changes with time in the outlet of the air chamber

圖9(a)～(f)中左右氣室開(kāi)口處的速度矢量圖顯示雙氣室串聯(lián)時(shí)左右氣室開(kāi)口處速度方向和變化情況，呈先后交替現(xiàn)象。

圖10 氣室內(nèi)液位高度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.10 Variation of liquid height of air chamber with time

圖11 室內(nèi)壓強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.11 Variation of pressure of air chamber with time

圖10～11顯示左氣室內(nèi)液面高于右氣室，相同時(shí)刻左氣室內(nèi)壓強(qiáng)大于右氣室，左右氣室壓強(qiáng)分別約為1 900 Pa和1 450 Pa。左氣室與波浪發(fā)生作用(即能量轉(zhuǎn)換)強(qiáng)于右氣室，這是由于波浪先與左氣室發(fā)生了能量轉(zhuǎn)換(吸收與損失)，導(dǎo)致流經(jīng)右氣室的波浪所含能量減少。

3.2 三氣室串聯(lián)仿真分析

在雙氣室仿真模型的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)尺寸完全相同的氣室。圖12給出了不同時(shí)刻氣室體積分布云圖，上部為空氣域，下部為水域。

圖12 不同時(shí)刻氣室周?chē)w積分布云圖Fig.12 Volume distribution cloud around chamber at different times

圖13 氣室內(nèi)液位高度變化曲線(xiàn)圖Fig.13 Height of the liquid level in the gas chamber

圖14 氣室內(nèi)壓強(qiáng)變化曲線(xiàn)Fig.14 Pressure of the gas chamber

三氣室串聯(lián)氣室內(nèi)液面振蕩幅度和氣室內(nèi)壓強(qiáng)變化結(jié)果如圖14～15所示。對(duì)比左、中、右氣室內(nèi)液面高度隨時(shí)間變化曲線(xiàn)顯示左、中、右氣室內(nèi)液面高度依次降低。在同一時(shí)刻下各氣室內(nèi)壓強(qiáng)P左>P中>P右，與液面高度關(guān)系表現(xiàn)一致。兩組比較均表明：先與波浪發(fā)生作用(即能量轉(zhuǎn)換)的氣室內(nèi)波高更高、壓強(qiáng)更大，具有更高的波能轉(zhuǎn)換效率。

4 結(jié)論

本研究采用水質(zhì)點(diǎn)造波法及質(zhì)量源項(xiàng)消波法在FLUENT中建立三維數(shù)值波浪水槽模型，對(duì)單氣室模型尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。研究了串聯(lián)雙氣室、三氣室在單周期下的水動(dòng)力特性規(guī)律。仿真結(jié)果顯示：?jiǎn)螝馐覛馐页叽鐓?shù)優(yōu)化結(jié)果為氣室高度2.0 m氣室出口直徑0.3 m時(shí)其氣室波高幅值大、壓強(qiáng)高，氣室內(nèi)液面振動(dòng)幅度受氣室出口大小影響較大，在一定尺寸范圍內(nèi)氣室開(kāi)口越大氣室內(nèi)液面上下振動(dòng)幅度越大；對(duì)于離岸式下開(kāi)口式振蕩水柱氣室，單一氣室只能采集一部分波浪能，氣室串聯(lián)組成的多氣室可有效提高波浪采集量；同尺寸下多氣室串聯(lián)時(shí)，先與波浪發(fā)生作用的氣室內(nèi)部水柱振蕩幅度和壓強(qiáng)較大。