波浪能自供電生態浮標體設計與分析

楊志乾，孫強，王世明，王鵬波，李華南

摘 要：基于前期傳統型浮標設計存在的問題，文章提出了一種橢球型波浪能自供電浮標標體設計結構。通過用UG軟件建立橢球型浮標、圓柱形浮標和圓錐形浮標模型，利用ICEM CFD優越的網格劃分技術，并導入Ansys AQWA模塊中，采用RAO數值響應法，得到不同波浪入射角下，垂直與水平響應仿真圖。從圖中分析得到橢球型浮標隨波效果最好，同時可利用寬頻響應時間實現波浪能發電。該仿真研究方法可為同類浮標仿真研究提供參考。

關鍵詞：波浪能；自供電；橢球型浮標；仿真分析

中圖分類號：TP391.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0107-03

Abstract： Based on the problems existing in the previous traditional buoy design， an ellipsoidal wave energy self-powered buoy body design structure is proposed in this paper. The model of ellipsoid buoy， cylindrical buoy and conical buoy is built by UG software， and ICEM CFD's superior mesh generation technology is used to import Ansys AQWA module. Using the RAO numerical response method， the vertical and horizontal response simulation diagrams of different wave incident angles are obtained. The result shows that the ellipsoidal buoy has the best effect with wave， and the wave energy generation can be realized by using the response time of wide frequency. The simulation research method can provide reference for the similar buoy simulation research.

Keywords： wave energy； self power supply； ellipsoid buoy； simulation analysis

引言

自20世紀90年代以來，海洋浮標研究已有三十多年，浮標研究與應用多集中在海洋水文氣象浮標、波浪浮標、海洋光學浮標、海洋水質監測浮標[1]。近幾年來，江河湖泊環境問題成為國家重點關注問題，生態浮標應運而生。生態浮標是一種可搭載水文、水質、生態等監測儀器的漂浮式自動化平臺，廣泛應用于在江河湖泊與海洋[2]。標體結構具備抗風浪、耐腐蝕等特點；數據監測必須具有長期、連續、全天候監測等特點[3]。為滿足浮標長期供電需求，在設計時，采用自供電技術，該技術多數采用太陽能技術、風能及混合技術，少部分采用波浪能與潮汐能供電技術。本文研究一種波浪能自供電生態浮標，增加了定位于可生降的功能，完成“一種波浪能自供電定位式可升降生態浮標”授權專利。重點研究該浮標體在搭載多種功能為前提，整個標體結構基于Ansys AQWA流體動力學評估軟件模擬風浪作用下的穩定性。

1 浮標體設計方案

該波浪能自供電浮標的理想狀態是標體下方浸沒在水中，利用波浪波動推力完成發電，浮于水面上方的標體盡量避免風力的干擾，以達到穩定狀態。因此提出了一種自供電、定位、可升降及剖面生態測量浮標設計方案。如圖1所示。

整個浮標分為浮標體、波浪能發電裝置、可升降裝置三個關鍵部分。浮標外體由端蓋12、殼體8、導流罩3構成，殼體為橢圓形，自身帶有浮力，整個殼體中心部分呈空心狀，導流罩3上表面貼合浮標下殼體，端蓋12的外部上安裝有風力傳感器10和衛星天線11，端蓋內部安裝有一個通信模塊9。浮標體內部裝有直線電機13與導流罩3構成波浪能發電裝置，導流罩下面安裝有可升降裝置。

浮標體采用橢球形，不同于圓柱形和錐形，是為了更好的利用橢球型外殼，使其與增速導流罩外表面完全貼合，達到增加流速的目的。直線電機的長度決定橢球型標體的短軸，導流罩的長度決定橢球型標體的長軸，長度與導流罩擴口大小是直線電機的發電功率的關鍵因素，即發電功率決定標體的大小。

2 浮標體仿真對比分析

2.1 UG三維建模

為了分析橢球形浮標體與傳統圓柱形、錐形標體的差異性，擬通過UG軟件分別建立橢球型浮標、圓柱形浮標、錐形浮標三維模型，利用Ansys AQWA進行仿真對比分析。在仿真實驗設計時，假設浮標體內部安裝設備布局合理，不對浮標體產生影響，橢球型的長軸、圓柱形底面直徑、圓錐形最大圓面直徑三者尺寸保持一致，橢球型的短軸、圓柱形高、圓錐形高三者尺寸保持一致，三者均保持高度1/2以上浮于水面。

模型建立時，需考慮在關鍵尺寸比例不變的基礎上，盡可能簡化模型，方便仿真計算。3種模型如圖2所示，其長短軸尺寸為200cm*110cm，運用UG軟件質量評估功能三種浮標體水下部分體積分別約為1259781cm3、1727000cm3、1034761cm3。

2.2 ICEM劃分網格

網格劃分的好壞直接影響仿真計算結果的好壞，ICEM CFD作為專業的CAE前處理軟件，其網格劃分結果受到業界普遍認可，另外其可導入多種三維軟件模型和為上百種后處理軟件提供接口。劃分網格時，盡量使用可快速計算的結構網格，對于不規則的橢球型采用混合型網格，由于四面體網格不能很好地描述圓弧的邊緣特征，盡量少用四面體網格描述圓弧，在生成四面體網格后，再使用三棱柱網格細化圓弧邊緣[4]。剖切網格，水下部分網格劃分結構如圖3所示。

2.3 AQWA處理

Ansys AQWA軟件作為結構流體動力學評估軟件，能夠模擬不同時域與頻域的不規則波、隨機波等波浪推力。通過模型對于波浪推力的垂直與水平響應程度，來判斷該浮標體結構設計的合理性。導入ICEM網格，設定重量、重心以及慣性力矩、波浪方向、頻率、間隔等浮標體參數。

RAO是指浮體在單位規則波幅作用下的浮體響應，RAO數值越大，隨波運動幅值就越大。其在簡諧波下隨時間變化的響應函數[5]如下：

（1）

其中A-入射波幅值，H（？棕，？茁）-傳遞函數。

仿真數據選擇0°，30°，60°，90°浪向角，則對浮標體的橫搖RAO和垂蕩RAO進行水動力分析比較。仿真結果如圖4、5、6所示。

從圖4、圖5、圖6可以看出：橢球型的最大垂直響應值約為1.35，最大橫搖響應約為115；圓柱形的最大垂直響應值約為1.75，最大橫搖響應約為135；錐形的最大垂直響應值約為1.85，最大橫搖響應約為155。橢球型的響應值最小，說明該型浮標體隨波運動波動較小，即波浪對其影響小。其結果較好，圓柱形次之，錐形最差。另外橢球型的橫搖響應頻率寬度在2～4.5之間，頻域寬度比其他兩種寬，說明浮標體受到大幅值波浪作用下，能夠吸收波浪推力，并緩慢釋放，可利用此點實現波浪能發電。綜上所述，橢球型浮標具有良好的隨波性能，該專利在最初設計時，結構與布局合理。

3 結束語

基于前期傳統型浮標設計存在的問題，本文提出了一種橢球型波浪能自供電浮標標體設計結構。通過用UG軟件建立橢球型浮標、圓柱形浮標和圓錐形浮標模型，利用ICEM CFD優越的網格劃分技術，并導入Ansys AQWA模塊中，采用RAO數值響應法，得到不同波浪入射角下，垂直與水平響應仿真圖。從圖中分析得到橢球型浮標隨波效果最好，同時可利用寬頻響應時間實現波浪能發電。該仿真研究方法可為同類浮標仿真研究提供參考。

參考文獻：

[1]王鵬，胡筱敏，熊學軍.新型表層漂流浮標體設計分析[J].海洋工程，2017，35（06）：125-133.

[2]陳鹿，崔維成，潘彬彬.深海剖面測量浮標節能研究[J].中國造船，2017，58（03）：128-135.

[3]趙聰蛟，何志強，周燕.浙江省海洋水質監測浮標設計與實現[J].海洋技術學報，2015，34（05）：37-42.

[4]王波，李民，劉世萱，等.海洋資料浮標觀測技術應用現狀及發展趨勢[J].儀器儀表學報，2014，35（11）：2401-2414.

[5]曲少春，鄭琨，王英民.圓柱形浮標運動分析與仿真[J].計算機仿真，2010，27（06）：363-367.