前墻結(jié)構(gòu)對(duì)OWC氣室捕能效果影響的數(shù)值研究

曲 銘,于定勇,王世林,康 驍

(中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院,山東 青島266100)

振蕩水柱式發(fā)電裝置(Oscillating Water Col u mn,OWC)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及性能穩(wěn)定的特點(diǎn),是波浪能領(lǐng)域研究的重點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者在振蕩水柱式發(fā)電裝置領(lǐng)域已進(jìn)行了若干的研究[1-10]。較早提出振蕩水柱發(fā)電裝置波能轉(zhuǎn)換的理論的是Evans[11],通過(guò)頻域線(xiàn)性波的理論將振蕩水柱氣室內(nèi)自由液面的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化；Heath[12]考慮了從浮標(biāo)到并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的OWC系統(tǒng)的歷史,給出了有關(guān)商業(yè)開(kāi)發(fā)中其他OWC系統(tǒng)進(jìn)展報(bào)告；Xu等[13]通過(guò)試驗(yàn)和理論方法研究了具有二次功率輸出(Power Take Off,PTO)模型的OWC裝置的發(fā)電效率；史宏達(dá)等[14]設(shè)計(jì)了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能裝置,在此基礎(chǔ)上,秦輝等[15]設(shè)計(jì)了一種帶收縮水道的沉箱防波堤和OWC波能發(fā)電裝置相結(jié)合的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式；溫鴻杰[16]使用了SPH(Smoothed Particle Hydr odyna mics)方法重演了氣室內(nèi)外的自由液面形態(tài)以及氣室前墻附近渦旋的生成、發(fā)展和耗散過(guò)程,發(fā)現(xiàn)了直立式氣室前墻外側(cè)易產(chǎn)生較大的渦旋；鄭艷娜等[17]進(jìn)行了振蕩水柱裝置前墻形狀對(duì)能量轉(zhuǎn)化效率影響的數(shù)值模擬,在直立式的前墻的不同位置底部和兩側(cè)分別增設(shè)了直徑0.500和1.125 m的2種半圓,認(rèn)為前墻底端兩側(cè)增加半圓可以較好地提升轉(zhuǎn)化效率,從轉(zhuǎn)化效率的角度得出了對(duì)傳統(tǒng)直立式前墻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)可提高氣室的捕能效果的結(jié)論,但僅涉及了增設(shè)半圓的前墻結(jié)構(gòu),沒(méi)有對(duì)前墻結(jié)構(gòu)形式變化對(duì)氣室捕能效果的影響進(jìn)行研究討論。

已有的有關(guān)振蕩水柱發(fā)電裝置的研究,缺少針對(duì)前墻結(jié)構(gòu)截面形式不同對(duì)氣室捕能效果影響的探討。為研究前墻結(jié)構(gòu)對(duì)氣室捕能效果的影響,本文提出了橢圓和三角兩種氣室前墻截面形式,通過(guò)改變角度得到5種不同的氣室前墻結(jié)構(gòu),并結(jié)合傳統(tǒng)矩形前墻通過(guò)數(shù)值模擬從波能-動(dòng)能轉(zhuǎn)換效率和氣室內(nèi)空氣壓強(qiáng)兩個(gè)角度,研究了前墻結(jié)構(gòu)截面形式對(duì)OWC氣室捕能效果的影響。

1 數(shù)值水槽

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文利用Flow-3D軟件,以N-S方程為基本控制方程建立二維數(shù)值波浪水槽,紊流模型為RNG k-ε模型,并采用VOF方法處理自由液面。需要注意的是本模型為二維數(shù)值模型,流體不會(huì)在y方向產(chǎn)生流動(dòng)。

連續(xù)性方程:

動(dòng)量方程:

式中:VF為流體流動(dòng)部分的體積；Ax、Ay、Az,fx、fy、fz和Gx、Gy、Gz為模擬流體流動(dòng)各個(gè)方向的面積、黏滯加速度和重力加速度；p為在流體微元上的作用壓力；ρ為流體密度。

紊動(dòng)能kT方程和εT方程:

式中:PT是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；GT是由于浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng),對(duì)于不可壓縮流體取為0；CDIS為紊動(dòng)參數(shù),默認(rèn)取值為0。

1.2 數(shù)值水槽的建立和驗(yàn)證

二維水槽的結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1,水槽右端為阻尼消波段,左邊界為造波邊界(Wave Boundar y),右邊界為透浪邊界(Outflow),上下邊界分別為壓力邊界和邊界墻(Specified Pressure和Wall)。通過(guò)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到水槽內(nèi)波高,并與理論值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證(圖2),可以看出模擬值與理論波形基本吻合,說(shuō)明該模型可以較準(zhǔn)確地模擬線(xiàn)性波浪。

圖1 水槽示意圖Fig.1 Schematic diagra m of t he flu me

圖2 波形驗(yàn)證Fig.2 Wavef or m validation

2 OWC氣室數(shù)值模擬

2.1 模型建立

取重力相似準(zhǔn)則即弗雷德準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型,根據(jù)試驗(yàn)水槽的尺寸和模型設(shè)計(jì),長(zhǎng)度比λL=20。試驗(yàn)水深為600 mm。試驗(yàn)中,氣室前布置探測(cè)點(diǎn)用以檢測(cè)堤前波高,出氣口中心位置布置探測(cè)點(diǎn)1個(gè),用以獲取出氣口空氣流速。氣室內(nèi)頂部布置探測(cè)點(diǎn)1個(gè),用以獲取氣室內(nèi)空氣壓強(qiáng)。試驗(yàn)選用5個(gè)具有不同前墻結(jié)構(gòu)的模型(圖3和圖4)。其中,20D和30D型的氣室前墻截面分別為20°和30°的三角；20 TY和30 TY型的氣室前墻截面分別是端點(diǎn)連線(xiàn)與長(zhǎng)軸夾角為20°和30°的1/4橢圓。

圖3 氣室模型示意圖Fig.3 Schematic diagra m of the air chamber model

圖4 氣室模型尺寸(mm)Fig.4 Size of the air cha mber model(mm)

2.2 模擬工況

模擬主要是研究前墻結(jié)構(gòu)不同的經(jīng)典OWC氣室在不同波要素下的捕能效果,共設(shè)置5種模型(Y型、20TY型、30TY型、20D型和30D型)。模擬所用的波浪要素參考青島董家口港區(qū)附近海況,實(shí)際比例下周期選用5,6,7和8 s四種,波高選取2,3,4和5 m四種,水深取12 m,根據(jù)比尺換算即為4種波高(0.10,0.15,0.20和0.25 m)、4種周期(1.1,1.3,1.6和1.8 s)共80個(gè)工況在水深0.6 m的情況下進(jìn)行模擬。

2.3 分析方法

水體受到外力的作用運(yùn)動(dòng)形成波浪,波浪本身具有動(dòng)能和勢(shì)能。一個(gè)波長(zhǎng)(L)范圍內(nèi)單位寬度波鋒線(xiàn)長(zhǎng)度的波浪勢(shì)能(Ep)公式為

式中,H為波高,L為波長(zhǎng),ρ為液體密度。微幅波中,自由表面高度,帶入式(5)可得:

一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)單位寬度波鋒線(xiàn)長(zhǎng)度的波浪動(dòng)能(Ek)公式為

在微幅波中,Ek可表示為

故一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的總波能(E)為

氣室內(nèi)氣液相互作用,波浪能量轉(zhuǎn)換為空氣動(dòng)能,出氣口空氣動(dòng)能Eo為

式中,ρk為氣體密度,m為氣體質(zhì)量,u為氣體速度,B為氣室出口寬度,T為周期。

根據(jù)式(10)與式(11)知,氣室的波能—?jiǎng)幽苻D(zhuǎn)換率(ηe)[6]為

3 結(jié)果分析

3.1 各周期下不同模型的轉(zhuǎn)換效率

各周期下不同模型的轉(zhuǎn)換效率隨波高的變化見(jiàn)圖5。由圖5可見(jiàn),在各周期下,20 TY型和30 TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率明顯較高,且在周期為1.1和1.3 s時(shí)20TY型的轉(zhuǎn)換效率高于30TY型。在周期1.3和1.6 s時(shí),30D型的轉(zhuǎn)換效率優(yōu)于Y型,1.8 s時(shí)低于Y型；各工況下20D型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)于Y型沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。在周期1.8 s的情況下,波高0.20 m時(shí),20D型、30D型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率分別為Y型的1.07倍和0.92倍,而20 TY型、30TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率分別為Y型的1.46倍和1.61倍,波高0.10 m時(shí)30TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率高于Y型前墻氣室90%。各工況下20TY型、30TY型前墻氣室的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)Y型前墻結(jié)構(gòu)氣室平均提升了37%。

圖5 各周期下不同模型的轉(zhuǎn)換率Fig.5 The conversion rate of different models in different periods

3.2 4種周期下不同模型的氣室內(nèi)壓強(qiáng)

在4種周期下不同模型的氣室內(nèi)空氣壓強(qiáng)隨波高的變化見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)20TY型和30TY型前墻氣室的氣室內(nèi)壓強(qiáng)較高,且在周期為1.1和1.3 s時(shí)20 TY型的轉(zhuǎn)換效率高于30 TY型,在周期為1.6和1.8 s則反之。在周期1.3和1.6 s時(shí),30D型的氣室內(nèi)壓強(qiáng)高于Y型,1.8 s時(shí)低于Y型。各工況下20D型的氣室內(nèi)壓強(qiáng)與Y型的差距很小。

圖6 各周期下不同模型的氣室內(nèi)空氣壓強(qiáng)幅值Fig.6 The air pressure amplitudes in the air chambers of different models in different periods

4 結(jié) 論

在數(shù)值水槽中進(jìn)行了模擬研究,研究了5種不同前墻結(jié)構(gòu)OWC氣室在不同波高、周期時(shí)的出氣口速度和氣室內(nèi)空氣壓強(qiáng)?；谀M結(jié)果從波能-動(dòng)能轉(zhuǎn)換效率和氣室內(nèi)空氣壓強(qiáng)角度分析了前墻結(jié)構(gòu)對(duì)OWC氣室的捕能效果的影響,得到了以下結(jié)論:

1)對(duì)前墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)可以有效地提高OWC氣室的捕能效果,前墻結(jié)構(gòu)對(duì)捕能效果的影響在周期較大時(shí)更為顯著；

2)5 種結(jié)構(gòu)中20TY型和30TY型前墻的氣室捕能效果較好,其波能-動(dòng)能轉(zhuǎn)換率相對(duì)Y型前墻結(jié)構(gòu)氣室最多提升90%,平均提升37%；在周期為1.1和1.3 s時(shí)20TY型的捕能效果優(yōu)于30TY型,在周期為1.6和1.8 s則反之；在周期1.3和1.6 s時(shí),30D型的捕能效果優(yōu)于Y型,而20D型相對(duì)于Y型沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。