振蕩水柱氣室結構優化設計對比

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(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

振蕩水柱(OWC)技術通過收集外界波浪能量并轉換為氣室內的氣壓變化，空氣壓縮形成振蕩水柱并產生能量轉換，最后腔內空氣由氣室頂端小出氣口噴出，將氣室內壓力轉換為氣室出口的氣動力。由于OWC波能轉換裝置的氣室尺寸對波浪的轉化效果有直接影響，數值波浪水槽模擬主要對氣室結構優化設計提高波浪與OWC結構耦合作用。

國內外學者對于振蕩水柱式波能采集裝置進行的數值模擬研究主要集中在氣室結構參數和數值模擬分析方面。如總結得出三維數值模型優于二維模型的結論，并將三維數值模擬用于振蕩水柱波能發電裝置氣室研究[1]。在波浪能轉換裝置中提出振蕩水柱設備在水位下具有大的底部開口空心腔室和水位以上用于發電的空氣透平裝置[2]。基于氣室參數的討論研究方形和槽型兩種類型氣室孔口來模擬非線性動力輸出(PTO)機構，檢查孔口幾何形狀對OWC裝置水動力性能的影響[3]。討論5種水下幾何形狀的定向OWC氣室前壁對振蕩水柱波能轉換裝置效率的影響[4]。首次提出圓柱形氣室結構，通過3D CFX建模對氣室出口數量及氣室幾何模型進行仿真分析[5]。對海上固定OWC裝置前后壁不對稱結構進行數值模擬，探究波高、前壁吃水深度及氣室寬度比對裝置效率的影響[6]。還有基于數值波浪水槽的仿真分析，基于一定體積流體(VOF)表面捕獲的RANS方程，研究3D CFD模型對海上OWC整體效率的影響，得出正常波高和最佳前壁吃水之間的相關性[7]。開發和驗證基于RANS方程和VOF表面捕獲方案的流體動力學(CFD)模型，建立1∶50尺度的OWC物理測量模型，驗證空氣壓縮性對氣室能量捕獲性能的影響[8]。

這里考慮采用前處理軟件ICEM分別建立方形和圓柱形前后壁對稱與不對稱OWC氣室結構模型，基于計算流體力學軟件Fluent的明渠造波法構建三維數值波浪水槽。將方形與圓柱形氣室模型進行對比分析，探究采集波浪能量的最優模型。分別驗證氣室在不同入射波高和氣室前墻入水深度時的最高壓強及氣室內部液面波動差，基于不可壓縮的流體動力學Navier-Stokes方程求解2個不相溶(即水和空氣)的流體混合物，通過VOF方法對所建氣室模型兩相自由表面進行追蹤。

1 流體動力學控制方程

三維數值波浪水槽內流體運動符合質量守恒定律，對于不可壓縮流場，單位時間內控制槽內流體流入流出質量相等。用連續方程表示為

(1)

對于黏性流體，在牛頓運動定律流體力學中集體表現形式為動量守恒，其運動的基本方程稱為N-S方程：

(2)

(3)

(4)

式中：μ為流體動力黏性系數(流體固有屬性)；u、v為流體在水平和豎直方向上的速度分量；ρ、p、g為流體密度、流體內部壓強和重力加速度；fx、fy、fz為x、y、z方向對應的動量源項。

流體動力學分析模型使用有限體積法進行離散化，基于流體體積法(VOF)解決兩個不可壓縮相(水和空氣)的連續性和RANS方程，其中ρ定義為雷諾應力，在渦黏模型中通常引入渦黏系數將湍流應力表示為湍動黏度函數。在工程中使用最廣泛的兩方程模型有三種類型：標準k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型，文中采用處理高應變率及流線彎曲程度更為突出的RNGk-ε模型。

2 三維數值水槽仿真分析

2.1 氣室仿真模型

選取方形氣室結構見圖1a)，保證水面以上氣室內部空氣體積相等條件下，設計方形和圓柱形氣室結構尺寸。提出模型1(前后壁對稱方形氣室)、模型2(前后壁不對稱方形氣室)、模型3(前后壁對稱圓柱形氣室)及模型4(前后壁不對稱圓柱形氣室)4種氣室結構，其結構尺寸見表1。分別對4種模型OWC和PTO孔口的防滑壁表面細化網格劃分見圖1，研究振蕩水柱氣室結構對裝置整體工作性能的影響，驗證所構建三維數值波浪水槽的準確性。

2.2 三維數值水槽建模

基于前后壁對稱方形氣室建立三維仿真模型，氣室位于整個計算域內部，氣室置于水槽仿真模型。定義水槽長L0=40 m，寬W0=4 m，高H0=8 m，氣室頂部出口在水槽面中位于xy軸坐標系中心處，距離水槽底端5 m，在氣室內壁創建氣室內部波高監測面①，在氣室內部高于水平面創建氣室內部壓強監測點②，見圖2。

三維數值水槽模型采用ICEM混合網格劃分方式見圖3，創建5個部分將模型分為左(A、B、C)、中(D)、右(E)3個區域。左部為造波區域(A為空氣域，B為水氣交界面，C為水域)，劃分結構化網格，并將水氣交界面B網格進行加密處理；中部裝配氣室并劃分非結構化網格，生成高質量的計算域網格區域；右部為消波區域，劃分結構化網格，避免反射波浪對計算域造成干擾。

基于小模型尺度則假設空氣壓縮效應忽略不計，初始條件下，通過限定兩相(水和空氣)體積分數將靜止水位設定在H1=4 m的期望水平，定義計算域內平均水深4 m，波長L1=17.179 5 m，波高h=0.8 m，相位差值-270°；設置空氣密度1.225 kg/m3，海水密度998.2 kg/m3。初始化后，利用Region功能標記水槽內水域，設置水相體積分數為1，在xy坐標系中設立數值水槽監測面如圖4a)。對氣室PTO孔口防滑壁做進一步的表面細化監測面見圖4b)。

2.3 數值模擬

采用驗證的前后壁對稱方形氣室ICEM模型測試離岸式OWC模型的波能采集狀況，調查入射波高和氣室前壁面吃水之間的關系，以確定最優波能采集OWC模型。 振蕩水柱氣室內部自由水面相對振幅的三維數值模擬計算結果見圖5。以圖4a)數值水槽監測面為基準，波形產生并達到OWC前墻邊緣。波浪由波速入口邊界處的速度分量規定，設置運算2 500步，獲得波高起伏曲線見圖5。當振蕩水柱氣室的波面達到波峰時，前、后墻兩位置處的波面高程平均值約等于氣室中部的高程值，見圖5a；當氣室內振蕩水柱氣室的波面達到波谷時，自由水面的運動特征與其到達波峰時的規律基本相同，見圖5b。

3 氣室模擬結果分析

三維數值波浪水槽基于4種模型OWC氣室結構，通過對每一種模型模擬運算，分別得出OWC氣室在規則波條件下的氣室壓強隨時間的變化曲線，分析各種結構對波浪捕獲效率的影響。

3.1 氣室內壓強與結構關系

對比前后壁對稱方形氣室與前后壁對稱圓柱形氣室在規則波條件下的氣室壓強隨時間的變化曲線見圖6a)，圓柱形氣室壓強高于方形氣室；對比前后壁對稱方形氣室與前后壁不對稱方形氣室在規則波條件下氣室壓強隨時間的變化曲線見圖6b)，前后壁不對稱方形氣室優于前后壁對稱方形氣室；對比前后壁不對稱方形氣室與前后壁對稱圓柱形氣室在規則波條件下氣室壓強隨時間的變化曲線見圖6c)，前后壁不對稱方形氣室優于前后壁對稱圓柱形氣室；最后對比前后壁不對稱方形氣室與前后壁不對稱圓柱形氣室在規則波條件下氣室壓強隨時間的變化曲線見圖6d)，前后壁不對稱方形氣室優于前后壁不對稱圓柱形氣室。對比圖6a)、d)在氣室內空氣體積相同時，方形氣室采集波浪振蕩產生的壓強效果優于圓柱形氣室；對比圖6b)、c)則前后壁不對稱氣室采集波浪振蕩產生的壓強效果優于前后壁對稱氣室。綜上得出四種模型中前后壁不對稱方形氣室模型采集波浪起伏引起的壓強效果最為顯著，壓強在波谷時達到最大值為2 172 Pa。

3.2 入射波高與氣室壓強關系

氣室內部的自由水面相對振幅及氣動壓強受到入射波高變化的影響，三維數值模擬計算結果見圖7。采用0.4、0.6、0.8、1.0 m 4個入射波高，分別獲取4種氣室模型在相同波周期下氣室內部液面波動差值及壓強輸出數據。入射波浪進入氣室會受到氣室前墻阻滯作用從而影響氣室內波浪的振蕩幅度見圖7a)，隨著入射波高的增加氣室內相對波幅增加。在同一入射波高下方形氣室內波浪振蕩幅度明顯低于圓柱形氣室，在0.8 m入射波高下同一形狀氣室內液面差相同。不同模型氣室內部最高壓強的三維數值模擬計算結果見圖7b)。前后壁不對稱方形氣室在4個不同入射波高下壓強均高于其他三種模型，且最高壓強均出現于氣室吸氣狀態，見圖5b)。

3.3 入水深度氣室壓強關系

氣室內部的自由水面相對振幅受到前墻入水深度變化的影響，三維數值模擬計算結果見圖8a)：方形氣室兩種結構內部液面差均大幅低于圓柱形氣室，考慮到設備維護的問題，方形氣室較為優異；不同模型氣室內部最高壓強受到前墻入水深度的影響，三維數值模擬計算結果見圖8b)：同形狀氣室模型中，前后壁不對稱模型壓強明顯高于前后壁對稱模型，前后壁不對稱方形氣室在不同的前墻入水深度都具有明顯的高吸氣壓強。隨著前墻入水深度的增加氣室內液面差逐步降低，且氣室內最高壓強會隨前墻入水深度的增加而逐步降低。

4 結論

1)四種模型的氣室內部壓強兩兩對比，得出前后壁不對稱方形氣室采集壓強效果更優。

2)選取波高及前墻入水深度下，前后壁不對稱方形氣室均有最高的吸氣壓強。

3)波高0.8 m、前墻入水1.2 m時前后壁對稱與不對稱方形氣室結構內液面波動差相同且明顯低于圓柱形氣室結構。

實況海域中氣室內液面波動低，設備受海水侵蝕部位少，考慮到設備維護的問題，與壓強相互印證得出前后壁不對稱方形氣室采集波浪振蕩能量的轉換效率最高，且裝置的工作性能更優。數值波浪水槽氣室的結構參數仍需細化分析，氣室后壁延伸尺寸仍需進一步仿真對比優化。