摘要
振荡水柱(OscillatingWaterColumn)是一种以空气为媒介的波能转换装置，因其结构具有简单性、高可靠性、高防腐性和寿命长等特点，在波能转换装置中占据有重要地位。但就已有的岸式OWC装置来说，仍然存在高昂建造成本的问题。另外，振荡水柱因其结构的特殊性，尤其是对于传统方箱型振荡水柱式波力发电装置，气室承载力较低始终是振荡水柱的薄弱环节。在极端的海况下，OWC常常因为较大波浪载荷发生倾覆，而防波堤具有较强的承受波浪载荷能力，二者结合起来既可以提高装置稳定性又可以降低发电成本。振荡浮子波能发电装置(OscillatingBuoy)则凭借高转换效率广泛应用于实践，但其可靠性较差且维修成本高。由于在较恶劣海况下，OWC气室在波浪作用下也容易遭到破坏。因此，考虑将振荡浮子置于振荡水柱前方提前吸收部分波浪能量，降低作用于OWC的波浪载荷，以达到保护OWC气室的目的。 本文使用Star-CCM+软件建立了三维数值模型。首先，对数值水池进行了波浪验证，保证装置处产生理想波浪参数；随后将数值计算结果与已发表论文结果进行对比验证，保证计算结果的可靠性；研究了单体双圆筒OWC几何参数(开口角度、开口高度、上部开口尺寸)对装置转换效率的影响，并分析了气室内部不同监测点波面特征以及上部开口尺寸对其PTO阻尼特性的影响。随后，基于本文第3章数值模型建立了双圆筒OWC与浮子OB组成的混合系统模型，并对新建立模型进行了网格和时间步长收敛性验证，保证结果的收敛性。通过势流理论计算浮子最优阻尼，并利用粘流CFD理论验证；分析了混合系统中OWC阻尼特征；分别对比了混合系统中OWC和OB与单体OWC和OB的转换效率；分析了经典工况下混合系统中OWC气室内以及浮子附近波面特征以及波浪参数对混合系统各物理参数幅值的影响；随后分析了混合系统中浮子入水深度与OWC下部开口高度的比值h12/h以及浮子入水体积与OWC气室体积的比值V12/V对混合系统转换效率的影响。最后，对比研究了浮子底部形状、浮子与OWC间距D和浮子半径Ri对混合系统的影响。 结果显示，基于Star-CCM+建立的数值水池可以精确计算波浪与结构物的相互作用，CFD结果与实验结果吻合良好。经过计算，单体双圆筒OWC气室内波面具有良好的均匀性和转换效率，其特有的圆弧形气室前壁在大多数波浪条件下能够有效避免Seching现象的出现。相比于传统方箱型OWC，双圆筒OWC具有更小的前墙受力特点，其与防波堤结合既可以降低OWC发电成本，又可以提高OWC和防波堤的可靠性。另外，振荡水柱与浮子组成的混合系统OWCOB进一步扩大了装置吸收波浪能量的范围；随后通过对浮子形状、位置和半径进行选优，进一步提高了波能装置抵抗风浪的能力。
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