離岸式振蕩水柱串聯氣室三維仿真分析

，，， ，

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

“透明海洋”觀測體系通過信號發射接收無線檢測網絡等無線傳感設備對海洋多尺度變化進行檢測及預測,振蕩水柱波能轉換裝置結構簡單、性能可靠，可提供持續電能。李宏偉[1]采用源函數造波方法與搖板造波方法在二維模式下對線性和非線性波分別進行了系統研究。李勝忠[2]模擬線性波并分析穩定波場沿程衰減規律。王永學[3]應用VOF方法建立了二維數值波浪水槽模型，模擬造波機產生的速度與波面變化。金鳳等[4]、楊全[5]模擬分析數值水槽與結構物相互作用。Kim等[6]采用推板造波法模擬均勻流海洋中固定結構受力數值。Strati等[7]數值計算了U-OWC系統時間和頻率域響應。辛穎[8]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。Elhanafia等[9-10]建立三維海上OWC模型進行試驗和仿真研究氣室尺寸和空氣壓縮效應對設備性能影響以及海上靜態浮動振蕩水柱(OWC)上的流體動力波載荷。Mahnamfar等[11]改變OWC氣室的長度、寬度和角度以獲得最大的系統功率。郭惟嘉等[12]應用流固耦合研究了斷層水突出的承壓水流動規律。韓寶坤等[13]基于流體動力學模型研究了泄露口的泄漏速率與管內壓力關系。Elhanafia 等[10]基于RANS方程建立振蕩水柱模型研究在海上靜態浮動下的流體動力波載荷，結果表明在設備固有頻率下氣動和水動力垂直力之間存在直接關系。寧德志等[14]建立非線性數值模型分析腔室幾何參數對前壁波浪響應問題，結果表明總波浪力隨著入射波高增加而增加。上述研究利用仿真和實驗對OWC氣室水槽模擬造波、結構受力以及氣室尺寸等進行分析，探討OWC氣室水槽波面變化，總結氣室內部氣動功率的變化特點和影響因素，但未對三維模擬下氣室外形結構和尺寸參數優化，缺乏分析對比不同結構下氣室內部具體的水動力性能。本研究對利用ICEM軟件采用結構化與非結構化網格相結合的方法對三維氣室仿真模型進行網格劃分，利用FLUENT軟件及其UDF功能建立三維數值波浪水槽模型，實現對三維離岸式振蕩水柱氣室的高度、氣室開孔大小參數優化以及多氣室仿真分析。

1 三維造波及消波理論

1.1 造波理論

采用水質點造波法[15]，在入口處根據波函數得到波在不同方向的流速，同時考慮波高函數，在波高函數以下位置為液相，波高函數以上位置為氣相。在VOF模型中設置相數為2，選用標準壁面函數。

速度勢函數：

(1)

波面方程：

(2)

由速度勢函數公式(1)求得一階近似的速度分量。

X方向分量：

(3)

Y方向分量：

(4)

1.2 消波理論

采用動量源項消波法[15]，將水槽末端一個波長區域內設置阻尼層，添加方程(3)和(4)的附加動量項吸收波浪避免反射作用。

(5)

(6)

式中，μ(x)為附加動量項系數，其作用是控制波浪的衰減情況。其中線性消波系數：

(7)

式中：x1為消波區域起始位置在x軸的坐標，x2為消波區域結束位置在x軸的坐標。

2 三維單氣室仿真分析

2.1 三維單氣室仿真模型的網格劃分

在UG.NX中建立三維模型，三維水槽長度L0為40 m，寬度W0為4 m，如圖1所示。在D區正中間設置氣室，距造波邊界(左端)18 m；水槽末端(E區)為消波區域。對三維仿真分析采用混合網格劃分如圖1所示，首先，在ICEM軟件中創建左(A+B+C)、中(D)、右(E)三個部分，左側為造波區，中部包含氣室，右側是消波區；其次，對左部分分割成A、B、C三個模塊，在A、B模塊Y軸方向分別劃分40、50個大小相同的結構化網格，在C模塊Y軸方向以1.1比率逐漸增加網格大小的規律劃分30個網格；然后，對右部分(E)創建塊，在X、Y、Z軸分別設置30、40、50個網格；對于D進行非結構網格劃分。最后，將結構網格的節點和非結構網格的節點合成一體，使公共面上的節點共用，對氣室周圍進行網格加密，其截面網格效果如圖2所示。

圖1 三維單氣室仿真網格劃分Fig.1 3D single-chamber simulation grid

圖2 三維仿真氣室附近網格截面圖Fig.2 3D simulation grid around the gas chamber

名稱及單位取值水槽長度L0/m40水槽寬度W0/m4水槽高度H0/m8波浪周期T/s3.5氣室長度l/m2.0氣室寬度W/m2.0氣室高度h0/m1.5、2.0、2.5出氣孔d0/m0.1、0.2、0.3

2.2 三維單氣室的數值模擬參數

為了合理設計水槽幾何模型，綜合模擬的二階Stokes波的周期、波高及波長等參數，結合國內相關研究文獻的波形參數及水槽模型幾何尺寸[16]，建立三維單氣室數值水槽仿真模擬的參數設置如表1所示。三維模型的仿真將氣室高度值與氣室出口直徑分別討論，即設定其一，討論另一個參數變化對輸出影響。

2.3 三維單氣室仿真效果與分析

利用FLUENT后處理功能分別創建水氣交界面和水槽xoy上的中間截面，得到的三維仿真截面效果圖如圖3所示。圖4為三維仿真中間截面效果圖及氣室截面偏移顯示圖，顯示氣室內部的水面與氣室外部水面的液位差。

對氣室高度H=1.5、2.0、2.5 m分別進行仿真分析，得到的氣室內液面高、壓強隨時間變化曲線如圖5和圖6。圖5中，氣室高度H=1.5 m及H=2.5 m的氣室內液面上下振動規律比較接近，而H=2.0 m的氣室內液面上下振動幅度相對較大；圖6所示高度為H=1.5 m及H=2.5 m的氣室內部壓強變化規律比較接近，H=1.5 m時氣室內正壓約2 100 Pa，H=2.5 m時氣室內正壓約2 350 Pa，而H=2.0 m的氣室內正壓約為2 900 Pa。

圖3 三維仿真截面效果圖Fig.3 3D simulation cross-section renderings

圖4 氣室截面偏移圖Fig.4 Gas chamber section offset

圖5 液位隨氣室高度變化曲線Fig.5 Variation of liquid level with gas chamber height

圖6 壓強隨氣室高度變化曲線Fig.6 Variation of pressure with gas chamber height

圖7 氣室內液位高度與出氣口關系曲線Fig.7 Relation between liquid height and air outlet

圖8 氣室內壓強出氣口關系曲線Fig.8 Relation between pressure and air outlet

設氣室高為2.0 m分析氣室出氣孔大小對氣室內壓強的影響。得到的氣室內液面高、壓強隨時間變化曲線，如圖7～8所示。圖7出口直徑0.2和0.3 m時氣室內液面上下振動幅度明顯大于直徑0.1 m，其中d=0.3 m時液面振動幅度最大，表明一定尺寸范圍內氣室開口增大則液面上下振動幅度增加，主要因為氣室出氣孔開口變大對氣室內波面上下振動 “阻礙”減小。圖8為波浪進入氣室初期(前10 s內)氣室內壓強隨時間和開口直徑變化情形。仿真結果為：Pd=0.1 m>Pd=0.2 m>Pd=0.3 m。在波浪進入氣室一到兩個波浪周期時長內，氣室開口越小氣室內壓強越高；待波浪與氣室相互作用穩定后(約15 s)氣室內壓強隨時間變化仿真結果為：Pd=0.2 m>Pd=0.1 m>Pd=0.3 m，表明d=0.2 m輸出壓強最優，約2 800 Pa。

3 三維多氣室仿真分析

3.1 雙氣室串聯仿真分析

在單一氣室后端串聯完全相同尺寸氣室則構成雙氣室串聯結構。水槽的網格劃分采用各邊界網格數目可控的結構化網格與單一氣室網格劃分方法一致，氣室區域仍采用非結構網格劃分方法。

圖9 氣室出口的速度矢量隨時間變化矢量圖Fig.9 Velocity changes with time in the outlet of the air chamber

圖9(a)～(f)中左右氣室開口處的速度矢量圖顯示雙氣室串聯時左右氣室開口處速度方向和變化情況，呈先后交替現象。

圖10 氣室內液位高度隨時間變化曲線Fig.10 Variation of liquid height of air chamber with time

圖11 室內壓強隨時間變化曲線Fig.11 Variation of pressure of air chamber with time

圖10～11顯示左氣室內液面高于右氣室，相同時刻左氣室內壓強大于右氣室，左右氣室壓強分別約為1 900 Pa和1 450 Pa。左氣室與波浪發生作用(即能量轉換)強于右氣室，這是由于波浪先與左氣室發生了能量轉換(吸收與損失)，導致流經右氣室的波浪所含能量減少。

3.2 三氣室串聯仿真分析

在雙氣室仿真模型的基礎上再增加一個尺寸完全相同的氣室。圖12給出了不同時刻氣室體積分布云圖，上部為空氣域，下部為水域。

圖12 不同時刻氣室周圍體積分布云圖Fig.12 Volume distribution cloud around chamber at different times

圖13 氣室內液位高度變化曲線圖Fig.13 Height of the liquid level in the gas chamber

圖14 氣室內壓強變化曲線Fig.14 Pressure of the gas chamber

三氣室串聯氣室內液面振蕩幅度和氣室內壓強變化結果如圖14～15所示。對比左、中、右氣室內液面高度隨時間變化曲線顯示左、中、右氣室內液面高度依次降低。在同一時刻下各氣室內壓強P左>P中>P右，與液面高度關系表現一致。兩組比較均表明：先與波浪發生作用(即能量轉換)的氣室內波高更高、壓強更大，具有更高的波能轉換效率。

4 結論

本研究采用水質點造波法及質量源項消波法在FLUENT中建立三維數值波浪水槽模型，對單氣室模型尺寸參數進行優化分析。研究了串聯雙氣室、三氣室在單周期下的水動力特性規律。仿真結果顯示：單氣室氣室尺寸參數優化結果為氣室高度2.0 m氣室出口直徑0.3 m時其氣室波高幅值大、壓強高，氣室內液面振動幅度受氣室出口大小影響較大，在一定尺寸范圍內氣室開口越大氣室內液面上下振動幅度越大；對于離岸式下開口式振蕩水柱氣室，單一氣室只能采集一部分波浪能，氣室串聯組成的多氣室可有效提高波浪采集量；同尺寸下多氣室串聯時，先與波浪發生作用的氣室內部水柱振蕩幅度和壓強較大。