[发明专利]一种基于CFD模拟的振荡水柱装置全过程模型及其效率预测方法

权利要求书

1.一种基于CFD模拟的振荡水柱装置全过程模型，其特征在于：包括数值波浪水槽和设置在数值波浪水槽一端的气室，气室的侧面与空气导管相通，在空气导管内设置动量源项区域，该动量源项区域的宽度与待评估装置中透平的叶片宽度一致。

2.一种效率预测方法，用于对权利要求1所述模型进行预测，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用软件建立振荡水柱装置全过程模型的计算区域；

步骤2，划分上述模型的网格，水槽及气室部分采用六面体结构化网格，网格的高度和长度分别不超过入射波波高和波长的1/10和1/50，并且在自由液面附近将网格沿着波高方向加密，网格加密高度为波高的1/20；空气导管部分利用四面体非结构化网格创建，网格从导管两端到中间存在从大到小的过渡；

步骤3，对上述模型进行边界条件设置，将水槽的造波边界设置为静止无滑移壁面，将水槽及气室的底部与边壁均设置为静止无滑移壁面，将水槽顶部及空气导管的出口设置为压力出口边界，气室与空气导管之间采用交界面连接，设置完成后将模型导出为网格文件格式；

步骤4，将网格文件导入到软件中进行求解设置，设置两相流追踪自由液面和计算水深，计算选用k-epsilon RNG湍流模型进行求解，模型使用SIMPLE压力速度耦合求解方法，动量方程和湍动能均采用二阶迎风格式，利用用户自定义函数UDF控制水槽造波边界，以产生相应的入射波浪；

步骤5，设置动量源项区域：

对于该流体区域，i方向的动量源项S_i表示为：

其中，μ为动力粘度，α为渗透率，v为流速，v_i为i方向的流速，C₂为惯性阻力系数，ρ为流体密度；

同时，该区域前后端的压降Δp为动量源项S_i与流域厚度Δn的乘积，即：

Δp＝-S_iΔn (2)

通过该区域的流速与压降表示为：

Δp＝av²+bv (3)

对于一定转速的空气透平，a与b为已知参数，联立式1-3，求得渗透率α和惯性阻力系数C₂，

在软件中通过porous zone自定义渗透率和惯性阻力系数的大小，从而将空气透平的阻尼作用准确引入到气室中；

步骤6，设置相应的物理参数监测，包括气室内自由液面高度、气室内压强和空气导管内流速，并设置计算时间步长及计算时间，开始计算，计算结束后，获得相应参数的时间序列；

步骤7，将步骤6中得到的结果带入以下公式：入射波浪功率为：P_W＝0.5ρ_wgA²C_gL；空气功率为：透平的输出功率为：

其中，ρ_w为水的密度，g为重力加速度，A为入射波振幅，C_g为波速，L为气室宽度，T为入射波周期，p(t)为气室内压强，Q(t)为气室内流量，T₀(t)为透平扭矩，ω(t)为透平角速度；

气室的转换效率η₁为：η₁＝P_P/P_W；空气透平的转换效率η₂为：η₂＝P_T/P_P；装置的全过程能量转换效率η为：η＝η₁η₂。

3.根据权利要求2所述效率预测方法，其特征在于：步骤1中使用的软件为ANSYS-ICEM或Gambit。

4.根据权利要求2所述效率预测方法，其特征在于：步骤4和步骤5中使用的软件为ANSYS-Fluent。