[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

说明书

本发明公开了一种基于CFD模拟的振荡水柱装置全过程模型及其效率预测方法，该装置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。本发明所公开的全过程模型能够将空气透平的阻尼作用准确引入到气室中，充分考虑空气透平与气室之间的动态耦合作用，能够真实反映振荡水柱的工作状态，对全过程效率做出合理预测。

技术领域

本发明属于波浪能的开发与利用领域，特别涉及该领域中的一种基于CFD模拟的振荡水柱装置全过程模型及其效率预测方法。

背景技术

波浪能等海洋可再生能源正迎来快速发展的机遇期。振荡水柱波浪能发电装置由于生存能力强、转换效率高等优点，正逐渐成为开发利用的热点。装置的能量转换包含不同阶段，首先波浪带动气室内的水柱上下振荡，从而在气室上方产生往复运动的气流，将波浪能转换为空气动能；随后气流推动气管内的透平旋转，透平与发电机相连，从而将空气动能转化为转轴轴功并进一步转换为电能。

传统研究方法中，受研究手段的限制，通常利用孔板结构或多孔介质来代替空气透平的阻尼作用，然而，替代物的大小与空气透平的尺寸、转速之间的关系完全被忽略，并且没有考虑装置工作过程中气室与透平之间的相互影响作用，导致模型无法准确反映装置的真实工作状态，效率预测出现较大的误差。此外，目前已有的振荡水柱全过程模型大多基于Simulink 仿真预测或者瞬态直接模拟，Simulink模型虽然计算消耗的时间较少，但结果精度较差；瞬态直接模拟模型对装置效率的预测精度较高，但由于模型网格数量庞大、计算较为复杂，往往需要消耗巨大的计算资源，使用较为不便。因此，有必要构建一种基于计算流体力学 (Computational fluid dynamics，简称CFD)的全过程数值模型，在利用较少计算资源的条件下，提高装置性能的预测精度，为实际工程装置的整体优化、合理预测实海况工作性能、进行发电出力预估等提供重要指导。

发明内容

本发明为解决振荡水柱装置性能预测准确性差、无法准确反映装置工作机理、不能为实际工程提供准确指导，且现有的全过程模型精度不足、消耗计算资源过大等问题，提供一种基于CFD模拟的振荡水柱装置全过程模型及其效率预测方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于CFD模拟的振荡水柱装置全过程模型，其改进之处在于：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。

一种效率预测方法，用于对上述模型进行预测，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，利用商业软件建立振荡水柱装置全过程模型的计算区域，在气室后方的空气导管中间构建动量源项区域，该区域的宽度和所需评估装置中所用的透平叶片宽度一致；

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(wall)，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(pressure out)，气室与空气导管之间采用交界面(interface)连接，设置完成后将模型导出为网格文件格式(.msh)；

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(VOF)追踪自由液面，并根据需要设置计算水深，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；