CN112329320A - 一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，包括如下步骤：步骤1，绘制振荡水柱式波能发电装置的三维几何模型；步骤2，对步骤1中生成的几何模型进行边界条件设置：步骤3，将上述几何模型进行网格划分：步骤4，将步骤3中生成的网格文件导入到ANSYS‑Fluent软件中；步骤5，求解设置：步骤6，利用动网格技术推板造波：步骤7，空气透平启动旋转，并产生一定的扭矩输出；步骤8，设置计算时间步长和迭代步数，完成计算。本发明所公开全过程数值模拟方法，基于ANSYS‑Fluent计算平台，克服了现有研究主要采用物理模型试验的缺陷，减少了人力、物力以及材料的消耗。

Description

一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法
技术领域
本发明属于振荡水柱式波能发电装置领域，特别涉及该领域中的一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法。
背景技术
全球能源危机愈演愈烈加快了海洋可再生能源的开发进程，波浪能由于资源分布广泛，并且具有较高的能流密度，正成为开发的热点。振荡水柱式波能发电装置由于结构和原理较为简单、设备安装和维护方便，是目前应用最为广泛的波能发电装置。
振荡水柱式波能发电装置主要包括能量捕获机构(气室)、能量传递机构(空气透平)和能量转换机构(发电机)，从而完成从波浪能到电能的转换。在以往的研究中，气室和空气透平的研究均相对独立，例如在气室的研究中，大多采用孔板介质等简单结构替代空气透平的阻尼作用，忽略了空气透平的真实作用；在空气透平的研究中，气流均为强制的单方面输入，忽略了气室内自由水面的影响。传统研究忽略了各能量转换过程之间的相互作用，无法反映装置的真实工作状态，最终的发电性能预测多为各研究过程的简单线性叠加，导致效率预测失准，难以满足准确预测装置实海况工作性能的要求。由此可见，通过有效串联各级能量转换过程，构建振荡水柱式波能发电装置的全过程模型，对于指导装置的整体优化开发、合理预估工作性能具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法。
本发明采用如下技术方案：
一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤1，根据所需模拟装置的实际尺寸，绘制振荡水柱式波能发电装置的三维几何模型，该三维几何模型由波浪水槽、气室以及空气透平三部分组成；
步骤2，对步骤1中生成的几何模型进行边界条件设置：
将波浪水槽及气室的边壁、底部边界条件设置为静止无滑移壁面；将波浪水槽顶部及空气透平所在的输气管道出口设置为压力出口边界；气室和包含空气透平的输气管道之间采用交界面边界条件进行连接；
步骤3，将上述几何模型进行网格划分：
波浪水槽及气室部分采用六面体网格；空气透平模型中，动叶片表面、动叶片轮毂及导流叶片轮毂采用三角形网格，动叶片区域由四面体混合网格生成，导流叶片表面使用四边形网格，导流叶片区域由六面体网格生成，动叶片和上下游导流叶片之间通过滑移网格界面连接；
步骤4，将步骤3中生成的网格文件导入到ANSYS-Fluent软件中；
步骤5，进行求解设置：
模型计算求解的控制方程为连续性方程和雷诺时均纳维尔—斯托克斯方程；湍流模型采用RNG k-ε模型；动量方程和湍动能均采用二阶迎风格式；模型采用两相流体体积法追踪水气交界面的实时变化，通过Patch方法定义水相和空气相；
步骤6，利用动网格技术推板造波：
采用用户自定义函数中的DEFINE_CG_MOTION命令控制波浪水槽左边界的造波板运动，实现入射波浪的产生；
步骤7，入射波随着造波板的运动而产生并传播到气室，在入射波作用下气室内的水面上下振荡从而带动输气管道内的气流往复运动，空气透平在往复气流的驱动下启动旋转，并产生一定的扭矩输出；
空气透平模型采用滑移网格技术，静区域绝对静止，动叶片实际旋转，利用用户自定义函数中的DEFINE_ADJUST以及DEFINE_ZONE_MOTION命令实现动叶片受力的求解与运动状态的更新；
在数值计算中，空气透平受气流驱动由静止状态发展到加速旋转状态，空气透平在t时刻的转速由下式获得：
Figure BDA0002814541590000021
式中，ωt与ωt-Δt分别代表t与t-Δt时刻的角速度，T代表气流作用下空气透平动叶片的输出力矩，I表示空气透平动叶片的转动惯量，透平在t+Δt时刻的角位移为：
αt+Δt＝αt+ωt·Δt
式中，αt与αt+Δt分别代表t与t+Δt时刻的角位移；
步骤8，根据实际情况设置计算时间步长和迭代步数，完成计算，获得结果数据，包括气室内自由液面高度、气室内压强、空气流速、空气透平的转速和扭矩输出。
进一步的，步骤1绘制的三维几何模型中，波浪水槽的尺寸为长60m×宽0.8m×高1.5m；气室的尺寸为长0.6m×宽0.8m×高1.2m，前墙高度为0.65m；空气透平为冲击式，直径为0.12m，包含28个动叶片和22组上下游对称的导流叶片。
进一步的，在步骤3中，波浪水槽及气室部分采用六面体网格，其网格高度与长度分别不超过入射波高与波长的1/15与1/70，并将自由液面附近的网格在竖向上加密，加密高度为1.5倍波高。
进一步的，在步骤3中，采用Gambit或ANSYS-ICEM软件进行网格划分，最终生成mesh格式的网格文件。
进一步的，在步骤5中，水深定义为0.75m。
本发明的有益效果是：
本发明所公开振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，基于ANSYS-Fluent计算平台，克服了现有研究主要采用物理模型试验的缺陷，减少了人力、物力以及材料的消耗。
本发明所公开振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，可充分考虑装置各级能量转换过程之间的相互作用，在气室模型中嵌入空气透平模型，实现全过程的直接模拟，可准确预测振荡水柱式波能发电装置的全过程工作性能，更加真实的反映振荡水柱式波能发电装置的工作状态，解决了现有技术对装置性能预测失准的问题。利用数值模拟不受比尺条件限制的优点，可直接构建原型比尺的装置模型，对工程装置在实海况条件下的工作性能做出直接预测。区别于传统的定常模型，本发明方法中的空气透平采用滑移网格技术，可真实反映动、静子之间的相互作用及流域非定常流动特征，更加贴合实际。
附图说明
图1是振荡水柱式波能发电装置的三维几何模型示意图；
图2是三维几何模型中波浪水槽及气室部分的网格划分示意图；
图3是三维几何模型中空气透平的网格划分示意图；
图4是物理模型试验与数值模拟的空气功率输出结果对比图；
图5是物理模型试验与数值模拟的透平功率输出结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，本实施例公开了一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，包括如下步骤：
步骤1，根据所需模拟装置的实际尺寸，绘制振荡水柱式波能发电装置的三维几何模型，如图1所示，该三维几何模型由波浪水槽1、气室2以及空气透平3三部分组成。波浪水槽的尺寸为长60m×宽0.8m×高1.5m；气室的尺寸为长0.6m×宽0.8m×高1.2m，前墙高度为0.65m；空气透平为冲击式，直径为0.12m，包含28个动叶片和22组上下游对称的导流叶片。
步骤2，对步骤1中生成的几何模型进行边界条件设置：
将波浪水槽及气室的边壁、底部边界条件设置为静止无滑移壁面；将波浪水槽顶部及空气透平所在的输气管道出口设置为压力出口边界；气室和包含空气透平的输气管道之间采用交界面边界条件进行连接；
步骤3，将上述几何模型进行网格划分：
如图2所示，波浪水槽及气室部分可采用六面体网格，其网格高度与长度分别不超过入射波高与波长的1/15与1/70，并将自由液面附近的网格在竖向上加密，加密高度为1.5倍波高，以使液面追踪更加精确。
如图3所示，空气透平模型中，动叶片表面、动叶片轮毂及导流叶片轮毂采用三角形网格，动叶片区域由四面体混合网格生成，导流叶片表面使用四边形网格，导流叶片区域由六面体网格生成，动叶片和上下游导流叶片之间通过滑移网格界面连接；
可采用Gambit或ANSYS-ICEM软件进行网格划分，最终生成mesh格式的网格文件。
步骤4，将步骤3中生成的网格文件导入到ANSYS-Fluent软件中；
步骤5，进行求解设置：
模型计算求解的控制方程为连续性方程和雷诺时均纳维尔—斯托克斯方程；湍流模型采用RNG k-ε模型；模型利用有限体积法(Finite Volume Method,FVM)和半隐式压力耦合方程组(Semi-implicit Method for Pressure Linked Equations,SIMPLE)来实现方程的离散和求解，动量方程和湍动能均采用二阶迎风格式以提高求解的精度；模型采用两相流体体积法(Volume of Fluid，VOF)追踪水气交界面的实时变化，通过Patch方法定义水相和空气相；本实施例中水深定义为0.75m。
步骤6，利用动网格技术实现推板造波：
采用用户自定义函数(User Defined Function,UDF)中的DEFINE_CG_MOTION命令控制波浪水槽左边界的(造波板)运动，实现入射波浪的产生；
步骤7，入射波随着造波板的运动而产生并传播到气室，在入射波作用下气室内的水面上下振荡从而带动输气管道内的气流往复运动，空气透平在往复气流的驱动下启动旋转，并产生一定的扭矩输出；
空气透平模型采用滑移网格技术，在该模型中，静区域绝对静止，动叶片是实际旋转的，能够真实反映动静子之间的相互作用。利用用户自定义函数中的DEFINE_ADJUST以及DEFINE_ZONE_MOTION命令实现动叶片受力的求解与运动状态的更新；
在数值计算中，空气透平受气流驱动由静止状态发展到加速旋转状态，其转速的变化取决于由系统合力矩求得的实时角加速度。空气透平在t时刻的转速由下式获得：
Figure BDA0002814541590000051
式中，ωt与ωt-Δt分别代表t与t-Δt时刻的角速度，T代表气流作用下空气透平动叶片的输出力矩，I表示空气透平动叶片的转动惯量，透平在t+Δt时刻的角位移为：
αt+Δt＝αt+ωt·Δt
式中，αt与αt+Δt分别代表t与t+Δt时刻的角位移；
步骤8，根据实际情况设置计算时间步长和迭代步数，完成计算，获得结果数据，包括气室内自由液面高度、气室内压强、空气流速、空气透平的转速和扭矩输出等。
为了验证本发明方法结果的可靠性与准确性，申请人开展了物理模型试验，并将结果与数值模拟的结果进行对比，图4和图5分别为空气功率和透平功率的输出结果对比，可以看出，数值模拟的结果与物理模型试验结果符合良好，可认为本发明方法构建的数值模型能够较为真实地模拟振荡水柱式波能发电装置各级能量转换过程，并可对装置的全过程工作性能做出准确预测。

Claims (5)

1.一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，根据所需模拟装置的实际尺寸，绘制振荡水柱式波能发电装置的三维几何模型，该三维几何模型由波浪水槽、气室以及空气透平三部分组成；
步骤2，对步骤1中生成的几何模型进行边界条件设置：
将波浪水槽及气室的边壁、底部边界条件设置为静止无滑移壁面；将波浪水槽顶部及空气透平所在的输气管道出口设置为压力出口边界；气室和包含空气透平的输气管道之间采用交界面边界条件进行连接；
步骤3，将上述几何模型进行网格划分：
波浪水槽及气室部分采用六面体网格；空气透平模型中，动叶片表面、动叶片轮毂及导流叶片轮毂采用三角形网格，动叶片区域由四面体混合网格生成，导流叶片表面使用四边形网格，导流叶片区域由六面体网格生成，动叶片和上下游导流叶片之间通过滑移网格界面连接；
步骤4，将步骤3中生成的网格文件导入到ANSYS-Fluent软件中；
步骤5，进行求解设置：
模型计算求解的控制方程为连续性方程和雷诺时均纳维尔—斯托克斯方程；湍流模型采用RNG k-ε模型；动量方程和湍动能均采用二阶迎风格式；模型采用两相流体体积法追踪水气交界面的实时变化，通过Patch方法定义水相和空气相；
步骤6，利用动网格技术推板造波：
采用用户自定义函数中的DEFINE_CG_MOTION命令控制波浪水槽左边界的造波板运动，实现入射波浪的产生；
步骤7，入射波随着造波板的运动而产生并传播到气室，在入射波作用下气室内的水面上下振荡从而带动输气管道内的气流往复运动，空气透平在往复气流的驱动下启动旋转，并产生一定的扭矩输出；
空气透平模型采用滑移网格技术，静区域绝对静止，动叶片实际旋转，利用用户自定义函数中的DEFINE_ADJUST以及DEFINE_ZONE_MOTION命令实现动叶片受力的求解与运动状态的更新；
在数值计算中，空气透平受气流驱动由静止状态发展到加速旋转状态，空气透平在t时刻的转速由下式获得：
Figure FDA0002814541580000011
式中，ωt与ωt-Δt分别代表t与t-Δt时刻的角速度，T代表气流作用下空气透平动叶片的输出力矩，I表示空气透平动叶片的转动惯量，透平在t+Δt时刻的角位移为：
αt+Δt＝αt+ωt·Δt
式中，αt与αt+Δt分别代表t与t+Δt时刻的角位移；
步骤8，根据实际情况设置计算时间步长和迭代步数，完成计算，获得结果数据，包括气室内自由液面高度、气室内压强、空气流速、空气透平的转速和扭矩输出。
2.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：步骤1绘制的三维几何模型中，波浪水槽的尺寸为长60m×宽0.8m×高1.5m；气室的尺寸为长0.6m×宽0.8m×高1.2m，前墙高度为0.65m；空气透平为冲击式，直径为0.12m，包含28个动叶片和22组上下游对称的导流叶片。
3.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤3中，波浪水槽及气室部分采用六面体网格，其网格高度与长度分别不超过入射波高与波长的1/15与1/70，并将自由液面附近的网格在竖向上加密，加密高度为1.5倍波高。
4.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤3中，采用Gambit或ANSYS-ICEM软件进行网格划分，最终生成mesh格式的网格文件。
5.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤5中，水深定义为0.75m。
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