振荡浮子式波浪能转换器运行特性的研究

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1、振荡浮子式波浪能转换器运行特性的研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：杨岑指导教师：张永良教授二○一五年十一月Studyonoperatingcharacteristicsofoscillating-buoywaveenergyconverterDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyin

2、HydraulicEngineeringbyYangCenDissertationSupervisor:ProfessorZhangYongliangNovember,2015摘要摘要振荡浮子式波浪能转换器因具结构简单、自适应强、效率高等优点而发展成为目前利用波浪能的主要形式之一。具有较高俘获宽度比的浮子式波浪能转换器可以有效降低波浪能利用的成本，为了探索出一种更高效的波浪能转换器，本文针对三种不同结构型式的振荡浮子式波浪能转换器的运行特性展开系统地理论、数值和试验研究，分析影响其运行特性的主要因素，揭示其

3、影响机理，探讨提高俘获宽度比的有效措施。首先通过物理模型试验方法，分别对单浮子式、垂向和环绕布置双浮子式波浪能转换器的运行特性展开了研究，初步探讨了波浪要素、外负载、几何布置和锚固方式对浮子动力响应和装置俘获宽度比的影响。基于线性势流和三维绕射-辐射理论，给出了浮子式波浪能转换器的数学模型，并分别对单浮子式、垂向和环绕布置双浮子式波浪能转换器的运行特性展开了系统地数值研究，探讨了影响其水动力特性、浮子动力响应和装置俘获宽度比的主要因素。对于单浮子式波浪能转换器，垂直圆柱形浮子的直径和吃水深度，以及方形浮子的

4、长宽比是影响其运行特性的主要因素，并通过比较分析表明圆形浮子的最优俘获宽度比要比方形浮子的大19%。对于垂向布置双浮子式波浪能转换器，本文提出了一种由一个半浸没垂荡圆柱形浮子和一个浸没固定圆柱形浮子组成的新型高效的结构，分析了波浪要素、外负载、两浮子垂向间距、两浮子的直径比和质量比，浸没浮子厚度和水深等参数的影响。对于环绕布置双浮子式波浪能转换器，文中首次对一种由两个方形浮子构成的结构展开了研究，揭示了波浪要素、外负载、两浮子水平间距、支撑浮子吃水深度对其运行特性的影响。为了获得具有较高俘获宽度比的浮子式波

5、浪能转换器，文中对单浮子、垂向和环绕布置双浮子式波浪能转换器的运行特性进行了数值对比分析，研究发现双浮子结构均在支撑浮子固定时获得俘获宽度比的最大值，垂向和环绕布置双浮子结构的俘获宽度比极值均大于单浮子结构，且垂向和环绕布置双浮子式波浪能转换器分别适合于低频和高频波浪条件。关键词：波浪；波浪能转换器；单浮子；双浮子；俘获宽度比IAbstractAbstractOscillating-buoybecomesamainkindofwaveenergycoverter(WEC)whichcouldextractw

6、aveenergyfromitsoscillatingmotion,asitsadvantagesofsimplerconstruction,betteradaptabilityandhighefficiency,comparedwithotherkindsofWECs.Thehigherefficiencyofanoscillating-buoyWECcouldreducetheproductioncostofthewaveenergyutilization.Soweshouldmakeacomprehe

7、nsivestudyontheoperatingcharacteristicsofoscillating-buoyWECsthroughtheoreticalanalysis,numericalsimulationandphysicalexperimentinordertoimprovethecapturewidthratioofthedevice.Firstlyphysicaltestsofasingle-buoyconverter,atwo-buoyconvertercomposedoftwocoaxi

8、al-cylindricalbuoysandanothertwo-buoyconverterconsistedofarectangularmiddlebuoyandarectangularsurroundingbuoywerecarriedoutinordertoinvestigatetheeffectofthewaveclimate,externalload,geometricarrangementandmoo