內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的動(dòng)力學(xué)研究

薛?鋼，劉延俊，薛祎凡，劉大輝

內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的動(dòng)力學(xué)研究

薛?鋼1, 2，劉延俊1, 2，薛祎凡1，劉大輝3

(1. 山東大學(xué)海洋研究院，青島 266237；2. 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；3. 中集海洋工程研究院有限公司，煙臺(tái) 264670)

內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置是一種新型的波浪能發(fā)電系統(tǒng)，采用全封閉式結(jié)構(gòu)，具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)．本文提出了內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的海況自適應(yīng)能量輸出方案，能夠根據(jù)海況特點(diǎn)自適應(yīng)地調(diào)整偏心轉(zhuǎn)子的偏心距，從而提高能量輸出效率和穩(wěn)定性．針對(duì)波浪能發(fā)電裝置的整體水動(dòng)力學(xué)特性和內(nèi)部偏心轉(zhuǎn)子的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，建立了一種基于ABAQUS-XFlow聯(lián)合仿真的動(dòng)力學(xué)耦合分析方法，研究了偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量、摩擦系數(shù)、波浪參數(shù)等因素對(duì)偏心轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性的影響，并利用原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)分析了隨機(jī)波浪激勵(lì)下偏心轉(zhuǎn)子的動(dòng)力學(xué)特性．其中，偏心轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)性能間接反映了波浪能發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性．結(jié)果表明：偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量是影響動(dòng)力學(xué)特性的敏感因素，對(duì)其運(yùn)動(dòng)特征的影響呈現(xiàn)出非單調(diào)性規(guī)律；而偏心轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)對(duì)偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦系數(shù)的敏感度較低，且摩擦系數(shù)對(duì)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特征的影響呈現(xiàn)出單調(diào)性規(guī)律；波浪能發(fā)電裝置受到隨機(jī)波浪激勵(lì)后，在垂蕩和縱搖方向的運(yùn)動(dòng)幅值較大，在其他方向上的運(yùn)動(dòng)幅值相對(duì)較小，偏心轉(zhuǎn)子有較大概率保持沿單一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)較為平穩(wěn)，預(yù)期能夠穩(wěn)定捕獲波浪能．相關(guān)研究結(jié)論對(duì)內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)具有重要的借鑒意義．

偏心轉(zhuǎn)子；波浪能發(fā)電裝置；動(dòng)力學(xué)；耦合分析

海洋中蘊(yùn)藏著大量清潔可再生能源，具有重要的開(kāi)發(fā)價(jià)值[1]．波浪能是海洋可再生能源的一種，具有儲(chǔ)量大、分布范圍廣等特點(diǎn)，受到學(xué)者的廣泛關(guān)注[2].據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球波浪能的儲(chǔ)量為1～10TW，可開(kāi)發(fā)量巨大[3]．

為合理開(kāi)發(fā)波浪能，學(xué)者研究了形式各樣的波浪能發(fā)電裝置(wave energy converter，WEC)，如振蕩水柱式、振蕩浮子式、擺式等[4-5]．盛松偉等[6]研制了一種鷹式大型漂浮式波浪能發(fā)電裝置，在設(shè)計(jì)波況下系統(tǒng)總效率可達(dá)20%以上．Xie等[7]提出了一種基于空間雙X形機(jī)構(gòu)的振蕩浮子式波浪能發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用于跨海大橋的傳感器的自供電．Zhang等[8]提出了一種采用雙作用液壓缸的倒立擺式波浪能發(fā)電裝置，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性．

可靠性是波浪能發(fā)電裝置的重要考核指標(biāo). Hinck[9]最早提出了采用全封閉結(jié)構(gòu)的內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置，將能量轉(zhuǎn)換單元與海水完全隔離，避免運(yùn)動(dòng)部件受到海水腐蝕，具有可靠性高、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，備受關(guān)注．基于此，Chen等[10]分析了浮體運(yùn)動(dòng)阻尼和發(fā)電機(jī)阻尼對(duì)內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置發(fā)電性能的影響，Yurchenko等[11]提出了一種基于參數(shù)擺的新型波浪能發(fā)電裝置，能夠改善小幅值、低頻率海況下的發(fā)電性能．本文的研究對(duì)象即為內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置．

波浪能發(fā)電裝置的動(dòng)力學(xué)研究是分析能量轉(zhuǎn)換過(guò)程、掌握發(fā)電規(guī)律、優(yōu)化控制策略的關(guān)鍵．王冬姣等[12]研究了含慣性擺波浪能發(fā)電裝置的浮標(biāo)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，分析了負(fù)載阻尼系數(shù)對(duì)浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)及波浪能轉(zhuǎn)換效率的影響．Wei等[13]將光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)模型應(yīng)用于擺式波浪能發(fā)電裝置的水動(dòng)力學(xué)分析和錨泊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)將裝置的固有頻率設(shè)計(jì)為當(dāng)?shù)夭ɡ祟l率，能夠提高能量輸出效果．Arzaghi等[14]基于點(diǎn)吸收式波浪能發(fā)電裝置的流體動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，構(gòu)造了馬爾可夫鏈模型，估計(jì)輸出功率的穩(wěn)態(tài)分布，實(shí)現(xiàn)了對(duì)波浪能發(fā)電裝置發(fā)電功率的長(zhǎng)期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)．Zhan等[15]提出了一種適用于波浪能發(fā)電裝置的自適應(yīng)分層模型預(yù)測(cè)控制策略，能夠解決由于海況變化而引起的動(dòng)力學(xué)建模的不準(zhǔn)確性問(wèn)題．

目前，進(jìn)行波浪能發(fā)電裝置的動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，一般先計(jì)算漂浮式結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，再將水動(dòng)力學(xué)響應(yīng)施加于能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，從而獲得能夠輸出的電能數(shù)據(jù)．但是，漂浮式結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力學(xué)與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)存在耦合關(guān)系，現(xiàn)有的研究思路無(wú)法獲得水動(dòng)力學(xué)與機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的耦合特性，導(dǎo)致動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果不精確．特別是研發(fā)新型內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置時(shí)，掌握其動(dòng)力學(xué)特性至關(guān)重要．

本文首先介紹了內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理，然后提出了一種基于ABAQUS軟件和XFlow軟件的動(dòng)力學(xué)耦合分析新方法，最后分析了偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量、摩擦系數(shù)、波浪參數(shù)等因素對(duì)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性的影響，并利用原理樣機(jī)模型開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)．其中，本文的主要?jiǎng)?chuàng)新性為提出了海況自適應(yīng)液壓PTO方案，建立了動(dòng)力學(xué)耦合分析方法，能夠同步開(kāi)展內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的水動(dòng)力學(xué)分析和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，提高了動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果的精度，有利于新型內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的研發(fā)及性能評(píng)估．

1?結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1?機(jī)械結(jié)構(gòu)

內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1?內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)

上殼體和下殼體形成封閉的內(nèi)部空間，將安裝于內(nèi)部的機(jī)械元件與外部海水完全隔離，能夠有效避免機(jī)械元件受到海水腐蝕．液壓能量輸出系統(tǒng)(power-take-off，PTO)固定在支架和下殼體構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并盡量降低液壓PTO的安裝高度，從而降低波浪能發(fā)電裝置的重心．偏心轉(zhuǎn)子為捕能元件，可以利用液壓缸主動(dòng)調(diào)節(jié)偏心轉(zhuǎn)子的偏心距，以適應(yīng)不同海況條件．在波浪激勵(lì)作用下，偏心轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)中心軸旋轉(zhuǎn)，中心軸獲得的轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)增速箱增速后，輸入到液壓PTO．

1.2?液壓能量輸出系統(tǒng)

內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的液壓能量輸出系統(tǒng)如圖2所示．

1—油箱；2—過(guò)濾器；3—普通單向閥；4—雙向液壓泵；5—增速箱；6—帶彈簧的單向閥；7—壓力表；8—蓄能器；9—可變節(jié)流閥；10—液壓馬達(dá)；11—發(fā)電機(jī)；12—流量計(jì)；13—溢流閥；14—帶彈簧的液壓缸；15—偏心轉(zhuǎn)子

增速箱的輸出軸驅(qū)動(dòng)雙向液壓泵旋轉(zhuǎn)，為液壓PTO提供動(dòng)力輸入．在雙向液壓泵的吸油口使用普通單向閥，減少吸油口處的壓力損失．在雙向液壓泵的排油口使用帶彈簧的單向閥，確保閥芯能夠快速?gòu)?fù)位．可變節(jié)流閥能夠調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓馬達(dá)的液壓油的流量，溢流閥能夠控制液壓PTO的最大工作壓力.蓄能器起到削峰填谷的作用，使作用于液壓馬達(dá)的液壓油保持壓力平穩(wěn)．帶彈簧的液壓缸能夠根據(jù)液壓系統(tǒng)的壓力，自適應(yīng)調(diào)節(jié)偏心轉(zhuǎn)子的偏心距．

1.3?海況自適應(yīng)發(fā)電原理

受波浪的激勵(lì)，內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置發(fā)生晃動(dòng)，使得偏心轉(zhuǎn)子的重心位置偏離重力勢(shì)能最低點(diǎn)．在重力的作用下，偏心轉(zhuǎn)子向重力勢(shì)能最低點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)．增速箱能夠提升中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并驅(qū)動(dòng)液壓泵轉(zhuǎn)動(dòng)．

中心軸既可以沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，也可以沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，因此，液壓泵既可以正向旋轉(zhuǎn)，也可以反向旋轉(zhuǎn)．液壓泵輸出的高壓液壓油進(jìn)入液壓馬達(dá)，使液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電．

當(dāng)波浪較大時(shí)，中心軸的旋轉(zhuǎn)速度較快，使得液壓泵的旋轉(zhuǎn)速度也較快，液壓泵輸出液壓油的流量較大，在不改變可變節(jié)流閥的節(jié)流面積的條件下，可變節(jié)流閥入口處的壓力較大，從而使進(jìn)入液壓缸有桿腔的液壓油壓力增大，高壓液壓油使彈簧壓縮，驅(qū)動(dòng)液壓缸的活塞桿回縮，從而減小了偏心轉(zhuǎn)子的偏心距，進(jìn)而能夠降低中心軸受波浪激勵(lì)后的旋轉(zhuǎn)速度．

當(dāng)波浪較小時(shí)，中心軸的旋轉(zhuǎn)速度較慢，使得液壓泵的旋轉(zhuǎn)速度也較慢，液壓泵輸出液壓油的流量較小，在不改變可變節(jié)流閥的節(jié)流面積的條件下，可變節(jié)流閥入口處的壓力較小，從而使進(jìn)入液壓缸有桿腔的液壓油壓力減小，在彈簧力的作用下，使液壓缸的活塞桿伸出，從而增大了偏心轉(zhuǎn)子的偏心距，進(jìn)而能夠提高中心軸受波浪激勵(lì)后的旋轉(zhuǎn)速度．

此外，通過(guò)調(diào)節(jié)可變節(jié)流閥的節(jié)流面積，能夠獲得不同的液壓傳動(dòng)性能．

因此，內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置能夠根據(jù)波浪狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)偏心轉(zhuǎn)子的偏心距，適應(yīng)復(fù)雜多變的海況條件，有效提高發(fā)電效率和發(fā)電穩(wěn)定性．

2?聯(lián)合仿真模型

2.1?ABAQUS的參數(shù)設(shè)置

為便于數(shù)值模擬分析，對(duì)內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示．

圖3?幾何模型簡(jiǎn)化

將上殼體和下殼體合并為殼體，將殼體、中心軸、偏心轉(zhuǎn)子分別導(dǎo)入到ABAQUS軟件，并在ABAQUS軟件中繪制系泊纜模型．對(duì)各零件分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將各零件的網(wǎng)格模型組合為裝配體，設(shè)置殼體與流場(chǎng)域的流固耦合交界面以及偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦接觸條件．

仿真模型中各零件的參數(shù)設(shè)置和初步劃分的網(wǎng)格單元數(shù)量如表1所示．

表1?幾何模型的參數(shù)設(shè)置

Tab.1?Parameter setting of geometric model

按照最大時(shí)間步長(zhǎng)不大于最小網(wǎng)格尺寸與最大運(yùn)動(dòng)速度之間比值的原則，同時(shí)考慮計(jì)算成本，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.0002s，并導(dǎo)出幾何模型的.stl格式文件和仿真模型的.inp格式文件．

2.2?XFlow的參數(shù)設(shè)置

XFlow采用了基于粒子法的格子波爾茲曼技術(shù)，不需要對(duì)流場(chǎng)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分．在XFlow中，采用線(xiàn)性波模型，流場(chǎng)域環(huán)境變量和波浪參數(shù)的設(shè)置如表2所示．

表2?流場(chǎng)域環(huán)境變量和波浪參數(shù)

Tab.2 Environmental variables and wave parameters of flow field

將ABAQUS中導(dǎo)出的幾何模型的.stl格式文件導(dǎo)入XFlow，設(shè)置Structural coupling為two way，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為0.0002s，進(jìn)行雙向耦合分析．

2.3?建立耦合模型

首先運(yùn)行XFlow，實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)域的初始化；然后采用命令行方式運(yùn)行ABAQUS，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的初始化；使用相同的仿真時(shí)間和時(shí)間步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)ABAQUS和XFlow的同步迭代求解；最后定義數(shù)據(jù)傳輸接口，ABAQUS向XFlow傳遞機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，XFlow向ABAQUS傳遞水動(dòng)力學(xué)激勵(lì)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)ABAQUS與XFlow的聯(lián)合仿真，如圖4所示．

聯(lián)合仿真為瞬態(tài)模擬過(guò)程，設(shè)置總模擬時(shí)間為5s，達(dá)到設(shè)定的模擬時(shí)間后，仿真過(guò)程停止．

在ABAQUS中設(shè)置不同的全局種子間距，分別獲得網(wǎng)格單元總數(shù)為12455、15248、22695、36109、43989的網(wǎng)格模型．在ABAQUS-XFlow聯(lián)合仿真模型中，設(shè)置入射波速度為1m/s、波高為0.2m、波浪頻率為0.25Hz、偏心轉(zhuǎn)子的密度為1000kg/m3、偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦系數(shù)為0.1，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證．不同網(wǎng)格模型條件下偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的時(shí)歷曲線(xiàn)如圖5所示．

圖4?ABAQUS與XFlow的聯(lián)合仿真

圖5?網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響

當(dāng)網(wǎng)格單元總數(shù)分別為12455、15248和22695時(shí)，偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的時(shí)歷曲線(xiàn)變化規(guī)律有較大差別.而當(dāng)網(wǎng)格單元總數(shù)分別為22695、36109和43989時(shí)，偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角的時(shí)歷曲線(xiàn)變化規(guī)律相近．說(shuō)明網(wǎng)格單元總數(shù)超過(guò)22695后，繼續(xù)加密網(wǎng)格對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響較小．因此，為確保較高的數(shù)值模擬精度，選取網(wǎng)格單元總數(shù)為36109的網(wǎng)格模型，各零件的網(wǎng)格單元數(shù)量參見(jiàn)表1．

3?結(jié)果與討論

3.1?偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量的影響

在XFlow中，設(shè)置入射波速度為1m/s，波高為0.2m，波浪頻率為0.25Hz．在ABAQUS中，設(shè)置偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦系數(shù)為0.1．為便于分析偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的影響，在保持體積不變的情況下，分別設(shè)置偏心轉(zhuǎn)子的密度為800kg/m3、1200kg/m3、2000kg/m3、4000kg/m3，對(duì)應(yīng)的偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量分別為3.83kg、5.74kg、9.57kg、19.13kg，分析不同偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量對(duì)其運(yùn)動(dòng)性能的影響，如圖6和圖7所示．在工程實(shí)踐中，可以通過(guò)不同材料的組合，調(diào)配出對(duì)應(yīng)的材料密度．

圖6?偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響

圖7?偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的影響

圖6和圖7中，轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的正值表明偏心轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，負(fù)值表明偏心轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)．偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角越大、轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，說(shuō)明波浪能發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出特性越好．

3.2?摩擦系數(shù)的影響

偏心轉(zhuǎn)子處的機(jī)械摩擦、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的阻尼、發(fā)電機(jī)的輸出負(fù)載等均是影響波浪能捕獲效率的重要因素．為便于數(shù)值模擬研究，將上述因素統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為偏心轉(zhuǎn)子處的摩擦力．

在XFlow中，設(shè)置入射波速度為1m/s，波高為0.2m，波浪頻率為0.25Hz．在ABAQUS中，設(shè)置偏心轉(zhuǎn)子的密度為1000kg/m3，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量為4.78kg．同時(shí)，分別設(shè)置偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦系數(shù)為0.05、0.10、0.15、0.20，分析不同摩擦系數(shù)對(duì)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)性能的影響，如圖8和圖9所示．

圖8?摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響

圖9?摩擦系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的影響

3.3?波浪參數(shù)的影響

在ABAQUS中，設(shè)置偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦系數(shù)為0.1，設(shè)置偏心轉(zhuǎn)子的密度為1000kg/m3，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量為4.78kg．在XFlow中，設(shè)置入射波速度為0.5m/s，設(shè)置不同的波高和頻率fr，分析波浪參數(shù)對(duì)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)性能的影響，如圖10和圖11所示．

圖10?波浪參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響

圖11?波浪參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的影響

在相同的摩擦系數(shù)和偏心轉(zhuǎn)子質(zhì)量條件下，波浪參數(shù)對(duì)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律呈現(xiàn)出一定的復(fù)雜性．保持波高恒定，逐漸加大波浪頻率，偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度的上限值先增大，后減??；而下限值有減小的趨勢(shì)；但總幅值有逐漸增大的趨勢(shì)．偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也有相似的變化規(guī)律．保持波浪頻率恒定，增大波高，偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)角度的上限值和下限值均有增大的趨勢(shì)，但偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度幅值變化不明顯．此外，波高0.50m、頻率0.5Hz和波高0.75m、頻率0.1Hz兩種波浪狀況下，單位波前寬度上的波浪能功率不同，但能夠獲得相似的偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性．

4?原理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步探索內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的偏心轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)特性，建立了其原理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖12所示．

圖12?內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的原理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

與ABAQUS-XFlow聯(lián)合仿真中的簡(jiǎn)化模型相似，按照1∶5的縮小比例，采用相同的封閉式殼體結(jié)構(gòu)將捕能機(jī)構(gòu)與流體介質(zhì)隔離．捕能機(jī)構(gòu)的偏心轉(zhuǎn)子與中心軸固定連接，中心軸又通過(guò)聯(lián)軸器與編碼器的輸入軸固定連接．因此，編碼器能夠記錄偏心轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)角度．同時(shí)，將姿態(tài)傳感器和數(shù)據(jù)采集卡固定在波浪能發(fā)電裝置殼體內(nèi)部，從而能夠在線(xiàn)記錄波浪能發(fā)電裝置的姿態(tài)數(shù)據(jù)和偏心轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)特性．

所選用的數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率為10Hz，編碼器與姿態(tài)傳感器的性能如表3所示．

表3?編碼器與姿態(tài)傳感器的性能參數(shù)

Tab.3 Performance parameters of encoder and attitude sensor

與ABAQUS-XFlow聯(lián)合仿真中的簡(jiǎn)化模型不同，受實(shí)驗(yàn)條件限制，中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)未能定量測(cè)量，造波器也無(wú)法精確模擬XFlow中的線(xiàn)性波模型，所產(chǎn)生的波浪激勵(lì)條件存在較大的隨機(jī)性，因而實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)僅可用于定性分析偏心轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)特性．

圖13?波浪能發(fā)電裝置沿著x軸、y軸、z軸加速度

圖14?波浪能發(fā)電裝置沿著x軸、y軸、z軸角加速度

圖15?偏心轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況

5?結(jié)?語(yǔ)

本文介紹了一種內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置，提出了海況自適應(yīng)液壓PTO方案，能夠根據(jù)海況特點(diǎn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)偏心轉(zhuǎn)子的偏心距，維持較高的能量捕獲效率．建立了適用于內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置的ABAQUS-XFlow聯(lián)合仿真模型，能夠同步開(kāi)展水動(dòng)力學(xué)分析和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，提高了動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果的精度．

通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：偏心轉(zhuǎn)子的質(zhì)量對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的影響呈現(xiàn)出非單調(diào)性規(guī)律，是影響運(yùn)動(dòng)特性的敏感因素；偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦系數(shù)對(duì)偏心轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)特性的影響呈現(xiàn)出單調(diào)性規(guī)律，但偏心轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)偏心轉(zhuǎn)子與中心軸之間的摩擦系數(shù)的敏感度較低；波浪能發(fā)電裝置受到隨機(jī)波浪激勵(lì)后，在垂蕩和縱搖方向的運(yùn)動(dòng)幅值較大，在其他方向上的運(yùn)動(dòng)幅值相對(duì)較??；偏心轉(zhuǎn)子有較大概率保持沿單一方向轉(zhuǎn)動(dòng)；偏心轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)較為平穩(wěn)，能夠穩(wěn)定地捕獲波浪能．

本文為波浪能發(fā)電裝置的水動(dòng)力學(xué)和機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)耦合分析提供了新方法，也為提高波浪能發(fā)電裝置的海況自適應(yīng)發(fā)電能力提供了新思路．

受數(shù)值模擬方法和所研制的波浪能發(fā)電裝置原理樣機(jī)功能的限制，無(wú)法直接獲得發(fā)電裝置的輸出功率特性，僅能夠利用偏心轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)特性間接反映輸出功率特性．在未來(lái)的研究工作中，將研制具有海況自適應(yīng)液壓PTO的內(nèi)置偏心轉(zhuǎn)子式波浪能發(fā)電裝置，利用實(shí)驗(yàn)分析輸出功率特性，并驗(yàn)證其海況自適應(yīng)發(fā)電能力．

［1］ Jeff T. Power from the oceans：Blue energy[J]. Nature，2014，508(7496)：302-304.

［2］ 鄭崇偉，李崇銀. 海洋強(qiáng)國(guó)視野下的“海上絲綢之路”海洋新能源評(píng)估[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41(2)：175-183.

Zheng Chongwei，Li Chongyin. Evaluation of new marine energy for the Maritime Silk Road from the perspective of maritime power[J]. Journal of Harbin Engineering University，2020，41(2)：175-183(in Chinese).

［3］ Esteban M，Leary D. Current developments and future prospects of offshore wind and ocean energy[J]. Applied Energy，2012，90(1)：128-136.

［4］ Aderinto T，Li H. Review on power performance and efficiency of wave energy converters[J]. Energies，2019，12(22)：4329-1-4329-24.

［5］ 唐友剛，曲志森，趙?青，等. 新型浮式浮力擺波浪能裝置運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)研究[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)與工程技術(shù)版)，2017，50(10)：1029-1036.

Tang Yougang，Qu Zhisen，Zhao Qing，et al. Test study of kinetic characteristic of a new floating flap wave energy converter[J]. Journal of Tianjin University(Sci-ence and Technology)，2017，50(10)：1029-1036(in Chinese).

［6］ 盛松偉，王坤林，吝紅軍，等. 100kW鷹式波浪能發(fā)電裝置“萬(wàn)山號(hào)”實(shí)海況試驗(yàn)[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2019(3)：709-714.

Sheng Songwei，Wang Kunlin，Lin Hongjun，et al. Open sea tests of 100kW wave energy convertor sharp eagle Wanshan[J]. Acta Energiae Solaris Sinica，2019(3)：709-714(in Chinese).

［7］ Xie Q，Zhang T，Pan Y，et al. A novel oscillating buoy wave energy harvester based on a spatial double X-shaped mechanism for self-powered sensors in sea-crossing bridges[J]. Energy Conversion and Management，2020，204：112286-1-112286-14.

［8］ Zhang D，Li W，Zhao H，et al. Design of a hydraulic power take-off system for the wave energy device with an inverse pendulum[J]. China Ocean Engineering，2014，28(2)：283-292.

［9］ Hinck Ⅲ. Wave Power Generator：US，3231749[P]. 1963-04-12.

［10］ Chen H M，DelBalzo D R. Eccentric rotating wave energy converter[C]//2019 IEEE Underwater Technology(UT). Kaohsiung，Taiwan，China，2019：1-5.

［11］ Yurchenko D，Alevras P. Parametric pendulum based wave energy converter[J]. Mechanical Systems and Signal Processing，2018，99：504-515.

［12］ 王冬姣，王英毅，邱守強(qiáng)，等. 含慣性擺發(fā)電裝置之浮標(biāo)的水動(dòng)力分析[J]. 船舶力學(xué)，2019，23(4)：46-55.

Wang Dongjiao，Wang Yingyi，Qiu Shouqiang，et al. Hydrodynamics of a buoy with inertial pendulum power generation device[J]. Journal of Ship Mechanics，2019，23(4)：46-55(in Chinese).

［13］ Wei Z，Edge B L，Dalrymple R A，et al. Modeling of wave energy converters by GPUSPH and project chrono[J]. Ocean Engineering，2019，183：332-349.

［14］ Arzaghi E，Abaei M M，Abbassi R，et al. A Markovian approach to power generation capacity assessment of floating wave energy converters[J]. Renewable Energy，2020，146：2736-2743.

［15］ Zhan S，Na J，Li G，et al. Adaptive model predictive control of wave energy converters[J]. IEEE Transactions on Sustainable Energy，2018，11(1)：229-238.

Dynamic Study of the Wave Energy Converter with Inner Eccentric Rotor

Xue Gang1, 2，Liu Yanjun1, 2，Xue Yifan1，Liu Dahui3

(1. Institute of Marine Science and Technology，Shandong University，Qingdao 266237，China；2. School of Mechanical Engineering，Shandong University，Jinan 250061，China；3. CIMC Offshore Engineering Institute Co.，Ltd.，Yantai 264670，China)

The novel wave energy converter with an inner eccentric rotor is a totally enclosed structure，which is characterized by high reliability and long working life. The wave-condition-adaptive power-take-off scheme is proposed for the wave energy converter with the inner eccentric rotor. The scheme will change the eccentric distance adaptively according to the wave conditions and improve the energy output efficiency and stability. The research on the dynamics of wave energy converter with inner eccentric rotor involves two aspects，namely，the hydrodynamics of the entire equipment and the mechanism dynamics of the inner eccentric rotor. A coupling analysis method for hydrodynamics and mechanism dynamics based on ABAQUS and XFlow joint simulation model is established. The factors that influence the motion characteristics of the eccentric rotor，such as eccentric rotor mass，friction coefficient，and wave parameters，are analyzed. Moreover，the motion characteristics of the eccentric rotor under random wave conditions are experimentally analyzed using the principle prototype. The motion characteristics of the eccentric rotor could reflect the power output characteristics indirectly. Notably，the eccentric rotor mass is a sensitive factor that affects the motion characteristics of the eccentric rotor，and its influence is nonmonotonic. The motion characteristics of the eccentric rotor are less sensitive to the friction coefficient between the eccentric rotor and the central shaft，and the influence of the friction coefficient is monotonic. When excited by a random wave，the wave energy converter obtains a larger motion amplitude in the heaving and pitching directions than that in other directions. The eccentric rotor has a greater probability of keeping rotating in a single direction，and the rotational motion of eccentric rotor is relatively stable. Thus，the eccentric rotor can stably capture wave energy. This paper can be an important reference for developing the wave energy converter with the inner eccentric rotor.

eccentric rotor；wave energy converter；dynamics；coupling analysis

10.11784/tdxbz202010018

TK79

A

0493-2137(2022)02-0191-08

2020-10-12；

2021-01-04.

薛?鋼（1990—??），男，博士，副研究員，xuegangzb@163.com.Email：m_bigm@tju.edu.cn

劉延俊，lyj111ky@163.com.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2017YFE0115000，2016YFE0205700)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1706230).

the National Key Research and Development Program of China(No.2017YFE0115000，No.2016YFE0205700)，the National Natural Science Foundation of China(No.U1706230).

(責(zé)任編輯：王曉燕)