离岸式振荡水柱串联气室三维仿真分析

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(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

“透明海洋”观测体系通过信号发射接收无线检测网络等无线传感设备对海洋多尺度变化进行检测及预测,振荡水柱波能转换装置结构简单、性能可靠，可提供持续电能。李宏伟[1]采用源函数造波方法与摇板造波方法在二维模式下对线性和非线性波分别进行了系统研究。李胜忠[2]模拟线性波并分析稳定波场沿程衰减规律。王永学[3]应用VOF方法建立了二维数值波浪水槽模型，模拟造波机产生的速度与波面变化。金凤等[4]、杨全[5]模拟分析数值水槽与结构物相互作用。Kim等[6]采用推板造波法模拟均匀流海洋中固定结构受力数值。Strati等[7]数值计算了U-OWC系统时间和频率域响应。辛颖[8]利用UDF定义造波板边界和动量源项实现造波消波模拟分析。Elhanafia等[9-10]建立三维海上OWC模型进行试验和仿真研究气室尺寸和空气压缩效应对设备性能影响以及海上静态浮动振荡水柱(OWC)上的流体动力波载荷。Mahnamfar等[11]改变OWC气室的长度、宽度和角度以获得最大的系统功率。郭惟嘉等[12]应用流固耦合研究了断层水突出的承压水流动规律。韩宝坤等[13]基于流体动力学模型研究了泄露口的泄漏速率与管内压力关系。Elhanafia 等[10]基于RANS方程建立振荡水柱模型研究在海上静态浮动下的流体动力波载荷，结果表明在设备固有频率下气动和水动力垂直力之间存在直接关系。宁德志等[14]建立非线性数值模型分析腔室几何参数对前壁波浪响应问题，结果表明总波浪力随着入射波高增加而增加。上述研究利用仿真和实验对OWC气室水槽模拟造波、结构受力以及气室尺寸等进行分析，探讨OWC气室水槽波面变化，总结气室内部气动功率的变化特点和影响因素，但未对三维模拟下气室外形结构和尺寸参数优化，缺乏分析对比不同结构下气室内部具体的水动力性能。本研究对利用ICEM软件采用结构化与非结构化网格相结合的方法对三维气室仿真模型进行网格划分，利用FLUENT软件及其UDF功能建立三维数值波浪水槽模型，实现对三维离岸式振荡水柱气室的高度、气室开孔大小参数优化以及多气室仿真分析。

1 三维造波及消波理论

1.1 造波理论

采用水质点造波法[15]，在入口处根据波函数得到波在不同方向的流速，同时考虑波高函数，在波高函数以下位置为液相，波高函数以上位置为气相。在VOF模型中设置相数为2，选用标准壁面函数。

速度势函数：

(1)

波面方程：

(2)

由速度势函数公式(1)求得一阶近似的速度分量。

X方向分量：

(3)

Y方向分量：

(4)

1.2 消波理论

采用动量源项消波法[15]，将水槽末端一个波长区域内设置阻尼层，添加方程(3)和(4)的附加动量项吸收波浪避免反射作用。

(5)

(6)

式中，μ(x)为附加动量项系数，其作用是控制波浪的衰减情况。其中线性消波系数：

(7)

式中：x1为消波区域起始位置在x轴的坐标，x2为消波区域结束位置在x轴的坐标。

2 三维单气室仿真分析

2.1 三维单气室仿真模型的网格划分

在UG.NX中建立三维模型，三维水槽长度L0为40 m，宽度W0为4 m，如图1所示。在D区正中间设置气室，距造波边界(左端)18 m；水槽末端(E区)为消波区域。对三维仿真分析采用混合网格划分如图1所示，首先，在ICEM软件中创建左(A+B+C)、中(D)、右(E)三个部分，左侧为造波区，中部包含气室，右侧是消波区；其次，对左部分分割成A、B、C三个模块，在A、B模块Y轴方向分别划分40、50个大小相同的结构化网格，在C模块Y轴方向以1.1比率逐渐增加网格大小的规律划分30个网格；然后，对右部分(E)创建块，在X、Y、Z轴分别设置30、40、50个网格；对于D进行非结构网格划分。最后，将结构网格的节点和非结构网格的节点合成一体，使公共面上的节点共用，对气室周围进行网格加密，其截面网格效果如图2所示。

图1 三维单气室仿真网格划分Fig.1 3D single-chamber simulation grid

图2 三维仿真气室附近网格截面图Fig.2 3D simulation grid around the gas chamber

名称及单位取值水槽长度L0/m40水槽宽度W0/m4水槽高度H0/m8波浪周期T/s3.5气室长度l/m2.0气室宽度W/m2.0气室高度h0/m1.5、2.0、2.5出气孔d0/m0.1、0.2、0.3

2.2 三维单气室的数值模拟参数

为了合理设计水槽几何模型，综合模拟的二阶Stokes波的周期、波高及波长等参数，结合国内相关研究文献的波形参数及水槽模型几何尺寸[16]，建立三维单气室数值水槽仿真模拟的参数设置如表1所示。三维模型的仿真将气室高度值与气室出口直径分别讨论，即设定其一，讨论另一个参数变化对输出影响。

2.3 三维单气室仿真效果与分析

利用FLUENT后处理功能分别创建水气交界面和水槽xoy上的中间截面，得到的三维仿真截面效果图如图3所示。图4为三维仿真中间截面效果图及气室截面偏移显示图，显示气室内部的水面与气室外部水面的液位差。

对气室高度H=1.5、2.0、2.5 m分别进行仿真分析，得到的气室内液面高、压强随时间变化曲线如图5和图6。图5中，气室高度H=1.5 m及H=2.5 m的气室内液面上下振动规律比较接近，而H=2.0 m的气室内液面上下振动幅度相对较大；图6所示高度为H=1.5 m及H=2.5 m的气室内部压强变化规律比较接近，H=1.5 m时气室内正压约2 100 Pa，H=2.5 m时气室内正压约2 350 Pa，而H=2.0 m的气室内正压约为2 900 Pa。

图3 三维仿真截面效果图Fig.3 3D simulation cross-section renderings

图4 气室截面偏移图Fig.4 Gas chamber section offset

图5 液位随气室高度变化曲线Fig.5 Variation of liquid level with gas chamber height

图6 压强随气室高度变化曲线Fig.6 Variation of pressure with gas chamber height

图7 气室内液位高度与出气口关系曲线Fig.7 Relation between liquid height and air outlet

图8 气室内压强出气口关系曲线Fig.8 Relation between pressure and air outlet

设气室高为2.0 m分析气室出气孔大小对气室内压强的影响。得到的气室内液面高、压强随时间变化曲线，如图7～8所示。图7出口直径0.2和0.3 m时气室内液面上下振动幅度明显大于直径0.1 m，其中d=0.3 m时液面振动幅度最大，表明一定尺寸范围内气室开口增大则液面上下振动幅度增加，主要因为气室出气孔开口变大对气室内波面上下振动 “阻碍”减小。图8为波浪进入气室初期(前10 s内)气室内压强随时间和开口直径变化情形。仿真结果为：Pd=0.1 m>Pd=0.2 m>Pd=0.3 m。在波浪进入气室一到两个波浪周期时长内，气室开口越小气室内压强越高；待波浪与气室相互作用稳定后(约15 s)气室内压强随时间变化仿真结果为：Pd=0.2 m>Pd=0.1 m>Pd=0.3 m，表明d=0.2 m输出压强最优，约2 800 Pa。

3 三维多气室仿真分析

3.1 双气室串联仿真分析

在单一气室后端串联完全相同尺寸气室则构成双气室串联结构。水槽的网格划分采用各边界网格数目可控的结构化网格与单一气室网格划分方法一致，气室区域仍采用非结构网格划分方法。

图9 气室出口的速度矢量随时间变化矢量图Fig.9 Velocity changes with time in the outlet of the air chamber

图9(a)～(f)中左右气室开口处的速度矢量图显示双气室串联时左右气室开口处速度方向和变化情况，呈先后交替现象。

图10 气室内液位高度随时间变化曲线Fig.10 Variation of liquid height of air chamber with time

图11 室内压强随时间变化曲线Fig.11 Variation of pressure of air chamber with time

图10～11显示左气室内液面高于右气室，相同时刻左气室内压强大于右气室，左右气室压强分别约为1 900 Pa和1 450 Pa。左气室与波浪发生作用(即能量转换)强于右气室，这是由于波浪先与左气室发生了能量转换(吸收与损失)，导致流经右气室的波浪所含能量减少。

3.2 三气室串联仿真分析

在双气室仿真模型的基础上再增加一个尺寸完全相同的气室。图12给出了不同时刻气室体积分布云图，上部为空气域，下部为水域。

图12 不同时刻气室周围体积分布云图Fig.12 Volume distribution cloud around chamber at different times

图13 气室内液位高度变化曲线图Fig.13 Height of the liquid level in the gas chamber

图14 气室内压强变化曲线Fig.14 Pressure of the gas chamber

三气室串联气室内液面振荡幅度和气室内压强变化结果如图14～15所示。对比左、中、右气室内液面高度随时间变化曲线显示左、中、右气室内液面高度依次降低。在同一时刻下各气室内压强P左>P中>P右，与液面高度关系表现一致。两组比较均表明：先与波浪发生作用(即能量转换)的气室内波高更高、压强更大，具有更高的波能转换效率。

4 结论

本研究采用水质点造波法及质量源项消波法在FLUENT中建立三维数值波浪水槽模型，对单气室模型尺寸参数进行优化分析。研究了串联双气室、三气室在单周期下的水动力特性规律。仿真结果显示：单气室气室尺寸参数优化结果为气室高度2.0 m气室出口直径0.3 m时其气室波高幅值大、压强高，气室内液面振动幅度受气室出口大小影响较大，在一定尺寸范围内气室开口越大气室内液面上下振动幅度越大；对于离岸式下开口式振荡水柱气室，单一气室只能采集一部分波浪能，气室串联组成的多气室可有效提高波浪采集量；同尺寸下多气室串联时，先与波浪发生作用的气室内部水柱振荡幅度和压强较大。