摆式发电装置固定摆板波浪力影响因素研究

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1、摆式发电装置固定摆板波浪力影响因素研摘要：本文在波浪理论知识基础上，选择线性Airy波浪理论,用波压积分法，利用matlab进行计算受力，研究在不同波高、周期、摆板入水深度以及水深情况下固定摆板的受力变化，为摆板式波浪发电装置的优化设计提供参考。关键词：摆式发电，MATLAB,波压积分，受力分析中图分类号：C35文献标识码：A引言进入21世纪可持续发展愈来愈受到重视，可再生能源的利用是可持续发展的重要支撑。由于海洋能在可再生能源中的利用占据了非常重的位置，其中波浪能又是海洋能中的翘楚，利用前景广阔，近年来利用波浪能发电装置愈来愈多的研制并投

2、入使用。在此我们将对摆式波浪发电装置摆板受力情况进行研究。经过调研和研究我们在计算中采用波压积分法对固定摆板的受力计算分析，研究对其受力变化产生的影响因素。为后期的摆式发电装置的优化设计提供数据支持。1.波浪力计算公式半经验公式莫里森方程存在局限性其只适用于大型圆柱结构物［1］,但是对于板式结构物则需要通过波压力沿板结构表面积分方法计算。其计算公式为：式中，为波浪力沿X方向的分量，N；P为板结构两侧压力差，Pa；为板结构没入水中的深度，m；为波面高度，m；z为摆板上任一点z坐标值，m。波压力和波面高度由波浪理论确定。由线性波浪理论，波面方程

3、可假设呈余弦方式，即(1-1)式中，a为波动振幅，k为波数，为波浪圆频率。线性波中，波压强分布，由微幅波假定，忽略二阶项,相对压强为：(1-2)上式中第一项为静水压力项；第二项为动压力，其中，为压力响应系数。在z=0处取最大值1,在底部取最小值。式(1-2)只对静水面以下成立，要求静水面以上的压力，可采用Tayor展开，设坐标原点在静水面上，静水面以上任一点zl的压力为:(1-3)1.数学模型数学模型在实验室模型［2］基础上以1：1的比例构建，实验室水槽及实验装置如图1所示。水槽尺度：，实验板结构尺寸：。坐标如图所示，原点为摆板和静水面交线

4、和水槽静水面中线交点。图1数学模型图1.数值计算根据上述波压公式，得板结构的波浪力公式：当时，即板结构处波面低于静水面，当时，即板结构处波面高于静水面，利用MATLAB自编程序，分别计算改变周期、波高、摆板入水深度及水深的情况下的四组波浪力数值。根据计算水深为中水深［4］。3.1波浪周期对波浪力的影响保持波高水深及摆板入水（静水时）深度不变。按照图2所示分别改变周期的大小，得到如下结果。由于计算得到的波浪力时间变化曲线都是正弦曲线［2］,而正弦曲线的有效数值是与最值和幅值相关的，故在此我们只需分析波浪的最大正负值和幅值即可。图2周期改变时波

5、浪力曲线通过图2中计算结果以及波浪力变化趋势，可以看到，在保持波高、入水深度和水深恒定的情况下，固定摆板的波浪力随波浪周期增大而增大。3.2波浪波高对波浪力的影响在只改变波高的情况下，由图3中计算结果和曲线可知,波高的变化对于固定摆板受到的波浪力影响显著，波高增大时摆板受到的波浪力也增大。图3波高改变时波浪力曲线3.3摆轴和静水面的距离对波浪力的影响图4摆轴静水面距离改变时波浪力变化曲线只改变摆轴和静水面距离时得到摆板受到波浪力及变化如图4,可知随摆板处静水面和摆轴的距离增大而增大，但影响幅度较小。3.3摆板入水深度对波浪力的影响保持T、H

6、以及水深d即摆轴到静水面距离不变，改变入水深度。图5摆板不同入水深度时波浪力曲线在波浪参数以及水深不变的情况下，摆板入水深度即端部到静水面的距离的改变对摆板受波浪力影响较大，随着入水深度的增大波浪力成线性增大。4.结论本文通过建立数学模型，利用波压积分法，计算出摆板在不同情况下的受力，研究了波浪周期、波高、摆轴到静水面的距离以及摆板入水深度等四个因素对波浪力的影响，其中波浪力随周期和摆板入水深度的增大近似线性增大，随波高增大而增大，而摆轴到静水面距离的变化对波浪力影响很小，几乎没有。该计算结果与试验结果[3]相吻合对于之后进行的摆式波浪发电

7、装置的受力分析提供了参考。由于本文在计算中未考虑线性波的伸缩变化[4],数据存在一定的误差。参考文献：[1]王涛，尹宝树等.海洋工程.山东教育出版社.2004.[2]JianminChen.ExperimentalResearchonCalculatingWaveForcethroughWavePressureMeasurement・AdvancedMaterialsResearch・2011.[3]郭鹏增.摆式波浪发电装置试验研究.中国石油大学（华东）硕士学位论文.2013.[4]苏布拉塔•查克拉巴蒂.海洋工程手册.石油工业出版社.201

8、2.