離岸式振蕩水柱氣室參數CFD優化設計

杜小振，朱文斗，張　燕，張龍波，劉敘強

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東　青島　266590）

離岸式振蕩水柱氣室參數CFD優化設計

杜小振，朱文斗，張燕，張龍波，劉敘強

（山東科技大學 機械電子工程學院，山東青島266590）

采用計算流體動力學分析（CFD）技術研究離岸式振蕩水柱波能轉換裝置的設計參數優化問題。首先，借助FLUENT軟件用戶自定義函數功能（UDF）并運用動邊界造波及多孔介質消波方法建立基于線性波浪理論的二維數值波浪水槽，然后，將水槽的分析方法應用于振蕩水柱氣室仿真研究。結果表明：離岸式振蕩水柱氣室在發生共振時轉換效率最高，氣室內液面升降幅度隨著波能轉換裝置的前墻入水深度、厚度以及氣室寬度的減小而產生較明顯的增大；相對于前墻尺寸，氣室寬度對波能轉換裝置的能量轉換功率影響較大。

振蕩水柱；推板造波法；FLUENT；CFD

海洋中的航標燈塔、無線檢測網絡信號發射接收器等已經實現多點布置和發展，成為建設“透明海洋”不可缺少的節點，這些設備需要持續、長久電能供應。振蕩水柱波能轉換裝置具有結構簡單、性能可靠等優點在近年來得到廣泛研究。波能轉換氣室優化設計是提高波浪能量采集效率的關鍵技術之一。

利用FLUENT軟件的UDF功能模擬造波和消波的仿真技術在工況條件設計以及數據模擬等方面具有明顯的優勢[1]。李勝忠[2]采用源造波法和阻尼層消波模擬線性規則波、Sotkes波、孤立波以及不規則波等，并分析了穩定波場沿程衰減規律；辛穎[3]利用UDF定義造波板邊界和動量源項實現造波消波模擬分析；Zhang Y等[4]預測二維振蕩水柱（OWC）水力效率，揭示了空氣和水流場壓力分布、渦強度；Luo Y等[5]分析了氣室高度、前墻厚度以及氣孔阻尼系數對氣室波浪能捕獲效率的影響，模擬結果表明前墻厚度以及氣室高度對能量捕獲效率影響明顯，但在共振點附近捕獲效率對阻尼系數并不敏感。Teixeira P R F[6]分別建立了二維、三維氣室仿真模型，研究氣室周圍的流線和速度模量分布以及氣室內部壓強規律等。Arun Kamath[7]采用在水槽前、末兩端消波方式對氣室進行仿真研究，結果表明氣室出氣口的阻尼效果對氣室內壓強，自由面的高低以及波浪能轉換效率有很大影響。金鳳、楊全等[8-9]將數值水槽與結構物相互作用獲得較好的模擬結果。劉臻等[10]建立了三維數值波浪水槽并用于振蕩水柱波能發電裝置氣室研究。

本文對不同網格劃分方式及氣室仿真方法進行整合與優化，闡明振蕩水柱氣室參數CFD分析過程及方法。利用ICEM軟件實現結構化網格劃分，利用FLUENT軟件及其UDF功能建立二維數值波浪水槽模型,運用VOF方法追蹤水槽中的自由表面運動，模擬不同周期的線性波實現對離岸式振蕩水柱氣室的前墻入水深度、寬度以及氣室寬度參數優化分析。

1　推板造波計算理論

1.1造波

數值水槽造波方法主要有：推板造波法、搖板造波法、源項造波法、速度入口造波法等。本文采用推板造波法，模擬固體邊界往復運動，驅動水槽內水體產生波動形成波浪。推板造波相對于其它幾種造波法較為接近自然波浪實際狀況，造浪效果好。實現推板運動造波是利用FLUENT軟件中的動網格以及UDF功能，因此需要計算推板運動沖程并編寫UDF程序，波面方程和推板運動沖程如下[3]。

推板運動速度函數：

推板運動產生的波面方程：

式中：L為波長；T為周期；h為水深；t為時間；S為推板振幅；x為橫坐標（波浪運動方向）。波面方程中第一項是以波數K和波頻ω的行波,其中K=2π/L，ω=2π/T，第二項為衰減立波，由于波面隨距離增大呈指數形式衰減，因此波面方程僅取第一項，即:

式中,η為波浪振幅。根據方程(4)造波板振幅S和波浪振幅ηl之間的關系表達式為如下傳遞函數Cl。

1.2消波

反射波對波浪模擬產生干擾，影響仿真結果準確性，為了提高水槽數值模擬精度，需在模型末端做消波處理。選用仿物理消波方法中的多孔介質消波法，在動量方程的右端添加一個動量衰減的源項。動量方程如下：

源項由兩部分組成，第一個為粘性損失項，另一個為慣性損失項：

式中：Si為i方向的動方程的源項；μ為動力粘度；υi為i方向的速度；為速度大小；1/α為粘性阻力系數；C2為慣性阻力系數。忽略慣性損失項，只取粘性損失項便可以得到良好的消波效果。

依據上述理論，利用 Fluent中 UDF宏DEFINE_PROFILE(name,thread,index)實現多孔介質的消波效果。

2　水槽造波模型CFD仿真

2.1模型創建

二維振蕩水柱氣室仿真模型如圖1所示，該模型分為推板運動區、消波區、水、空氣和氣室。在FLUENT仿真系統中設置推板為動邊界條件，水槽頂端為壓力入口邊界條件，底端、右端和氣室均設置為壁面邊界條件，消波區設為多孔介質。在水槽仿真模型末端添加消波區域有利于減小反射波的影響。

圖1　二維仿真模型

2.2網格劃分

本文利用 ICEM（The Integrated Computer Engineering and Manufacturing code）創建二維結構化網格，在ICEM軟件中進行模塊化（Blocking）處理將模型劃分多個塊區域，如圖2。

圖2　塊區域網格劃分

圖2中：A（1-5-8-4）在X軸方向劃分50個網格；B（5-6-10-9）在Y軸方向劃分40個網格；C(9-10-11-12)為波浪運動區域，該區域需對網格做加密處理，取網格最小尺寸為波高的1/20～1/30，單波長范圍劃分120個網格；D(13-14-15-16)為氣室前墻，該區域不設網格。以上區域的網格在其各自內區域內為大小相等的四邊形結構網格。E（12-11-7-8)網格寬度在X方向大小相同，沿Y負方向以1.05比率線性增加。F（6-2-3-7)為消波區域，該區域對網格要求不高，則網格寬度分別沿X正方向和Y負方向以1.05比率線性增加。

結構化網格劃分方法可以實現在保證網格質量前提下對區域進行分割，各區域網格細化程度根據仿真需要而有所區別。創建推板運動區域并進行加密更能滿足動網格的需要，動網格區域網格質量不高容易產生負體積導致仿真模擬結果失真；對波浪運動區域加密有利于減緩波浪衰減，以及更好地捕捉自由液面；波面以下水區域的網格密度對造波影響較小，波浪在消波區域越往后波能越小，因此這兩區域網格寬度呈線性增加，既滿足了仿真準確性需要，又降低了網格數目，同時有利于縮短仿真計算時間。

3　數值模擬

3.1參數設置

表1　水槽造波模型CFD仿真主要參數

水槽及氣室參數如表1，不同周期與氣室參數組合產生72組工況。空氣密度1.225 kg/m3，海水密度998.2 kg/m3，參照經驗公式給定湍流參數[11]，湍動能取0.001 024 m2/s3，湍動耗散率取0.000 025 799 m2/s3。計算時間步長取0.01 s。

3.2仿真效果

為了監測自由面處的波浪情況，需要在數值水槽中設置波高監測線，距造波板10 m、22 m處波高隨時間變化的過程如圖3所示。仿真效果圖4內藍色區域為空氣，紅色為水，中間豎直黑框為氣室前墻，由于氣室前墻阻礙波浪傳播，波浪經過氣室前墻后有所改變。在波浪傳播速度矢量圖5中顯示更加清晰，墻前、墻后速度大小相差明顯。此外，圖4水槽末端水面平穩，圖5水槽末端速度矢量較小均表明水槽消波效果良好。

圖3　x=10 m/22 m波面上位置點隨時間振動位移曲線圖

圖4　仿真效果圖

圖5　速度矢量圖

4　分析結果討論

氣室各工況仿真過程如下：首先不設氣室后墻，對氣室前墻進行仿真分析研究，將不同周期的氣室前墻所獲得的氣室波浪參數進行處理和優化分析，選擇出最優工況，在此基礎上再增設氣室后墻進行仿真計算，完成離岸式振蕩水柱氣室參數CFD優化分析。

仿真結果顯示：各前墻寬度條件下相對波幅隨入射波周期增加而先增大，后趨于平穩；氣室內相對波高隨前墻寬度增加而減小；當前墻入水深度較小（d=0.5 m）時，氣室內相對波高較大。

圖6　不同前墻寬度條件下相對波高受前墻入水深度的影響

圖7　不同前墻入水深度條件下相對波高受前墻寬度的影響

各前墻入水深度相同時相對波幅隨入射波周期增加而先增大然后稍微減小到最后趨于平穩；氣室內相對波高隨前墻入水深度增加而減小；當前墻厚度較小（D=0.1 m）時，氣室內相對波高較大。

圖8　氣室內水位高度受氣室寬度的影響

分析結果圖8顯示氣室內水位高度隨周期增大呈現先增加后減小趨勢，水位高度的高低峰值出現在周期T=4.0附近；(a)圖氣室寬度為1 m和2 m時水位高度的高峰值較大；(b)圖氣室寬度為2 m時水位高度的低峰值較大，1 m次之；(c)圖液位高度差值最大的是寬度為2 m的氣室,其值為1.58 m接近2倍波高，由此可以判斷該工況發生共振。

5　結論

仿真過程利用FLUENT軟件UDF功能建立造波和消波的數值水槽，用于解決振蕩水柱氣室參數優化問題。以本文仿真參數為基礎，離岸式振蕩水柱波能轉換裝置在短周期（T≤3 s）氣室內液面升降幅度較小，在發生共振時(3.75 s≤T≤4.25 s)氣室內液面升降幅度明顯的增大，此時氣室能量轉換效率最高，結果表明氣室設計應當合理運用共振作用提高能量采集效率。氣室前墻入水深度、厚度與氣室寬度在一安全合理范圍內減小尺寸可以增大氣室內液面升降幅度，氣室寬度對整個氣室能量采集效率率影響較大。

[1]劉德興,鄭艷娜,張佳星.振蕩水柱波能發電裝置的研究應用進展[J].大連海洋大學學報,2015,30(2):231-236.

[2]李勝忠.基于FLUENT的二維數值波浪水槽研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2006.

[3]辛穎.Fluent UDF方法在數值波浪水槽中的應用研究[D].大連:大連理工大學,2013.

[4]Zhang Y,Zou Q P,Greaves D.Air Water Two-Phase Flow Modelling of Hydrodynamic Performance of an Oscillating Water Column Device[J].Renewable Energy,2011,41(2):159-170.

[5]Luo Y,Nader J R,Cooper P,et al.Nonlinear 2D Analysis of the Efficiency of Fixed Oscillating Water Column Wave Energy Converters [J].Renewable Energy,2014,64(2):255-265.

[6]Teixeira P R F,Davyt D P,Didier E,et al.Numerical Simulation of an Oscillating Water Column Device Using Acode Based on Navier Stokes Equations[J].Energy,2013,61(4):513-530.

[7]Kamath A,Bihs H,Φivind A.Arntsen.Numerical Modeling of Power Take-Off Damping in an Oscillating Water Column Device[J]. International Journal of Marine Energy,2015,10:1-16.

[8]金鳳,萬超.波浪對有梁面板結構沖擊作用數值模擬[J].水運工程,2015(12):10-15.

[9]楊全.數值波浪模擬及其在海洋平臺動態特性分析中的應用研究[D].鎮江：江蘇科技大學,2013.

[10]紀君娜,劉臻,紀立強.振蕩水柱波能發電裝置氣室的三維數值模擬研究[J].海岸工程,2011,30(2):7-13.

[11]李宏偉.數值水池造波方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2009.

CFD Analysis and Optimization of Air Chamber Parameters for Offshore Oscillating Water Column Design

DU Xiao-zhen,ZHU Wen-dou,ZHANG Yan,ZHANG Long-bo,LIU Xu-qiang
College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong Province,China

The computational fluid dynamics(CFD)technique is introduced to optimize the design parameters of offshore oscillating water column for harvesting wave energy.The two-dimensional(2D)numerical wave tank model based on linear wave theory is established with the user defined function(UDF)of the FLUENT software and the method that combines dynamic boundary wave making techniques with porous media wave absorbing theory.The analysis method of the tank is also adopted to simulate the air chamber of oscillating water column. Based on the simulation results,the maximum conversion efficiency occurs at oscillating water column resonance in the air chamber.The liquid level in the chamber will significantly rise with the reduction of the draught depth and thickness of the front wall and especially with the width of the air chamber.Relative to the size of the front wall,the air chamber width contributes more to the energy conversion efficiency of the wave power device.

oscillating water column;pushing board method for wave making;FLUENT;CFD

P743.2

A

1003-2029（2016）05-0061-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.012

2016-03-06

國家自然科學基金資助項目（51105234）；中國博士后科學基金資助項目（2015M582113）；山東省科技發展計劃資助項目（2013YD04018）；青島市黃島區科技項目小微企業發展和孵化器專項（2014-1-107）和應用研究與公共衛生專項（2014-1-42）資助項目；山東省高等學校優秀中青年骨干教師國際合作培養項目；青島市博士后基金資助項目；山東省自然科學基金面上項目（2016ZRB01224）

杜小振（1978-），男，博士，副教授，主要研究方向為微電源，海洋能發電和傳感器技術等。E-mail:du_xzh@163.com