前墙结构对OWC气室捕能效果影响的数值研究

曲 铭,于定勇,王世林,康 骁

(中国海洋大学 工程学院,山东 青岛266100)

振荡水柱式发电装置(Oscillating Water Col u mn,OWC)有结构简单以及性能稳定的特点,是波浪能领域研究的重点之一。国内外的相关学者在振荡水柱式发电装置领域已进行了若干的研究[1-10]。较早提出振荡水柱发电装置波能转换的理论的是Evans[11],通过频域线性波的理论将振荡水柱气室内自由液面的运动进行了简化；Heath[12]考虑了从浮标到并网发电系统的OWC系统的历史,给出了有关商业开发中其他OWC系统进展报告；Xu等[13]通过试验和理论方法研究了具有二次功率输出(Power Take Off,PTO)模型的OWC装置的发电效率；史宏达等[14]设计了沉箱防波堤兼作岸式OWC波能装置,在此基础上,秦辉等[15]设计了一种带收缩水道的沉箱防波堤和OWC波能发电装置相结合的复合结构形式；温鸿杰[16]使用了SPH(Smoothed Particle Hydr odyna mics)方法重演了气室内外的自由液面形态以及气室前墙附近涡旋的生成、发展和耗散过程,发现了直立式气室前墙外侧易产生较大的涡旋；郑艳娜等[17]进行了振荡水柱装置前墙形状对能量转化效率影响的数值模拟,在直立式的前墙的不同位置底部和两侧分别增设了直径0.500和1.125 m的2种半圆,认为前墙底端两侧增加半圆可以较好地提升转化效率,从转化效率的角度得出了对传统直立式前墙结构的改进可提高气室的捕能效果的结论,但仅涉及了增设半圆的前墙结构,没有对前墙结构形式变化对气室捕能效果的影响进行研究讨论。

已有的有关振荡水柱发电装置的研究,缺少针对前墙结构截面形式不同对气室捕能效果影响的探讨。为研究前墙结构对气室捕能效果的影响,本文提出了椭圆和三角两种气室前墙截面形式,通过改变角度得到5种不同的气室前墙结构,并结合传统矩形前墙通过数值模拟从波能-动能转换效率和气室内空气压强两个角度,研究了前墙结构截面形式对OWC气室捕能效果的影响。

1 数值水槽

1.1 数学模型

本文利用Flow-3D软件,以N-S方程为基本控制方程建立二维数值波浪水槽,紊流模型为RNG k-ε模型,并采用VOF方法处理自由液面。需要注意的是本模型为二维数值模型,流体不会在y方向产生流动。

连续性方程:

动量方程:

式中:VF为流体流动部分的体积；Ax、Ay、Az,fx、fy、fz和Gx、Gy、Gz为模拟流体流动各个方向的面积、黏滞加速度和重力加速度；p为在流体微元上的作用压力；ρ为流体密度。

紊动能kT方程和εT方程:

式中:PT是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；GT是由于浮力引起的湍动能k的产生项,对于不可压缩流体取为0；CDIS为紊动参数,默认取值为0。

1.2 数值水槽的建立和验证

二维水槽的结构示意图见图1,水槽右端为阻尼消波段,左边界为造波边界(Wave Boundar y),右边界为透浪边界(Outflow),上下边界分别为压力边界和边界墙(Specified Pressure和Wall)。通过设计监测点得到水槽内波高,并与理论值进行对比验证(图2),可以看出模拟值与理论波形基本吻合,说明该模型可以较准确地模拟线性波浪。

图1 水槽示意图Fig.1 Schematic diagra m of t he flu me

图2 波形验证Fig.2 Wavef or m validation

2 OWC气室数值模拟

2.1 模型建立

取重力相似准则即弗雷德准则设计模型,根据试验水槽的尺寸和模型设计,长度比λL=20。试验水深为600 mm。试验中,气室前布置探测点用以检测堤前波高,出气口中心位置布置探测点1个,用以获取出气口空气流速。气室内顶部布置探测点1个,用以获取气室内空气压强。试验选用5个具有不同前墙结构的模型(图3和图4)。其中,20D和30D型的气室前墙截面分别为20°和30°的三角；20 TY和30 TY型的气室前墙截面分别是端点连线与长轴夹角为20°和30°的1/4椭圆。

图3 气室模型示意图Fig.3 Schematic diagra m of the air chamber model

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

2.2 模拟工况

模拟主要是研究前墙结构不同的经典OWC气室在不同波要素下的捕能效果,共设置5种模型(Y型、20TY型、30TY型、20D型和30D型)。模拟所用的波浪要素参考青岛董家口港区附近海况,实际比例下周期选用5,6,7和8 s四种,波高选取2,3,4和5 m四种,水深取12 m,根据比尺换算即为4种波高(0.10,0.15,0.20和0.25 m)、4种周期(1.1,1.3,1.6和1.8 s)共80个工况在水深0.6 m的情况下进行模拟。

2.3 分析方法

水体受到外力的作用运动形成波浪,波浪本身具有动能和势能。一个波长(L)范围内单位宽度波锋线长度的波浪势能(Ep)公式为

式中,H为波高,L为波长,ρ为液体密度。微幅波中,自由表面高度,带入式(5)可得:

一个波长范围内单位宽度波锋线长度的波浪动能(Ek)公式为

在微幅波中,Ek可表示为

故一个波长范围内的总波能(E)为

气室内气液相互作用,波浪能量转换为空气动能,出气口空气动能Eo为

式中,ρk为气体密度,m为气体质量,u为气体速度,B为气室出口宽度,T为周期。

根据式(10)与式(11)知,气室的波能—动能转换率(ηe)[6]为

3 结果分析

3.1 各周期下不同模型的转换效率

各周期下不同模型的转换效率随波高的变化见图5。由图5可见,在各周期下,20 TY型和30 TY型前墙气室的转换效率明显较高,且在周期为1.1和1.3 s时20TY型的转换效率高于30TY型。在周期1.3和1.6 s时,30D型的转换效率优于Y型,1.8 s时低于Y型；各工况下20D型前墙气室的转换效率相对于Y型没有明显优势。在周期1.8 s的情况下,波高0.20 m时,20D型、30D型前墙气室的转换效率分别为Y型的1.07倍和0.92倍,而20 TY型、30TY型前墙气室的转换效率分别为Y型的1.46倍和1.61倍,波高0.10 m时30TY型前墙气室的转换效率高于Y型前墙气室90%。各工况下20TY型、30TY型前墙气室的转换效率相对Y型前墙结构气室平均提升了37%。

图5 各周期下不同模型的转换率Fig.5 The conversion rate of different models in different periods

3.2 4种周期下不同模型的气室内压强

在4种周期下不同模型的气室内空气压强随波高的变化见图6。由图6可见20TY型和30TY型前墙气室的气室内压强较高,且在周期为1.1和1.3 s时20 TY型的转换效率高于30 TY型,在周期为1.6和1.8 s则反之。在周期1.3和1.6 s时,30D型的气室内压强高于Y型,1.8 s时低于Y型。各工况下20D型的气室内压强与Y型的差距很小。

图6 各周期下不同模型的气室内空气压强幅值Fig.6 The air pressure amplitudes in the air chambers of different models in different periods

4 结 论

在数值水槽中进行了模拟研究,研究了5种不同前墙结构OWC气室在不同波高、周期时的出气口速度和气室内空气压强。基于模拟结果从波能-动能转换效率和气室内空气压强角度分析了前墙结构对OWC气室的捕能效果的影响,得到了以下结论:

1)对前墙结构进行改进可以有效地提高OWC气室的捕能效果,前墙结构对捕能效果的影响在周期较大时更为显著；

2)5 种结构中20TY型和30TY型前墙的气室捕能效果较好,其波能-动能转换率相对Y型前墙结构气室最多提升90%,平均提升37%；在周期为1.1和1.3 s时20TY型的捕能效果优于30TY型,在周期为1.6和1.8 s则反之；在周期1.3和1.6 s时,30D型的捕能效果优于Y型,而20D型相对于Y型没有明显优势。