變載下導(dǎo)葉的簡化模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

變載下導(dǎo)葉的簡化模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究

0葉輪物理模型試驗(yàn)騷亂裝置是一種廣泛使用的波浪能量發(fā)電裝置。于通順等本文以可變翼裝置葉輪的導(dǎo)葉為研究對象，通過開展物理模型試驗(yàn)，研究波浪作用下不同位置處葉輪導(dǎo)葉的運(yùn)動過程，明確導(dǎo)葉的擺動特性與作用規(guī)律。針對可變翼裝置捕能效率較低的問題，提出以導(dǎo)葉所受最大水平波浪荷載為研究對象的提高裝置捕能效率的方法。1可變波能源裝置的模型簡化波浪作用下可變翼裝置旋轉(zhuǎn)的動力是導(dǎo)葉軸受到的水平分力，且水平分力越大，裝置受到的扭矩越大，發(fā)電功率也越大2試驗(yàn)研究方法葉輪旋轉(zhuǎn)過程中導(dǎo)葉軸位置不斷變動，試驗(yàn)過程中分別選取導(dǎo)葉軸旋轉(zhuǎn)到與波浪傳播方向垂直、平行時的位置作為典型位置，在水深為0.8m、波高為0.25m和周期為2s的波浪工況下探討導(dǎo)葉的水動力過程。試驗(yàn)在山東省海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的寬斷面波流水槽中進(jìn)行。模型導(dǎo)葉長0.20m、寬0.16m、厚0.02m，采用亞克力材料制作，密度1100kg/m支撐結(jié)構(gòu)1中導(dǎo)葉后方與支撐結(jié)構(gòu)2之間設(shè)置經(jīng)過防水處理的拉壓力傳感器。固定于支撐結(jié)構(gòu)1上的導(dǎo)葉受到波浪的作用可使支撐結(jié)構(gòu)1繞連接部位發(fā)生微小轉(zhuǎn)動，支撐結(jié)構(gòu)1擠壓拉壓力傳感器輸出導(dǎo)葉所受波浪力的水平分力。在圓盤位置設(shè)置角度傳感器，測定波浪作用過程中導(dǎo)葉繞導(dǎo)葉軸的轉(zhuǎn)動角度。另外，在導(dǎo)葉一側(cè)與導(dǎo)葉前端平齊位置布置波高儀，以測定導(dǎo)葉處波高的變化，波高儀布置在水槽邊壁附近，以減小所測波高結(jié)果中導(dǎo)葉運(yùn)動對波浪場的影響。3試驗(yàn)結(jié)果的分析3.1導(dǎo)葉雙向波浪荷載作用提取水深為0.80m、波高為0.25m和周期為2s的波浪作用下，導(dǎo)葉最大轉(zhuǎn)動角度為42°、導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸位于導(dǎo)葉后方時導(dǎo)葉所受垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的水平力（以導(dǎo)葉指向?qū)~軸方向?yàn)檎┮约皩?dǎo)葉轉(zhuǎn)動角度（以導(dǎo)葉向上擺動轉(zhuǎn)角為正）的時程，如圖3所示。通過圖3可知，波浪作用過程中導(dǎo)葉正向水平波浪荷載的最大值（32.69N）遠(yuǎn)超負(fù)向水平荷載的最大值（-12.78N），在一個周期內(nèi)正向波浪荷載作用的時間比例（約60%）也大于負(fù)向荷載作用的時間比例（約40%）。波浪作用過程中導(dǎo)葉受到負(fù)向波浪荷載作用，可變翼裝置的葉輪可能會出現(xiàn)停轉(zhuǎn)甚至回轉(zhuǎn)，但葉輪的總體旋轉(zhuǎn)方向與正向波浪分量的方向相同，這也與以葉輪為研究對象的試驗(yàn)結(jié)果提取導(dǎo)葉從處于近似水平位置（以t水深為0.80m、波高為0.25m和周期為2s的波浪作用下，導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸位于導(dǎo)葉前方時導(dǎo)葉所受垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的水平波浪荷載以及導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動角度時程，如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，一個波浪周期內(nèi)正向波浪荷載作用的時間比例（約65%）大于負(fù)向波浪荷載作用的時間比例（約35%），正向水平波浪荷載的最大值（9.14N）與負(fù)向水平荷載的最大值（-11.31N）差距不大，均小于導(dǎo)葉轉(zhuǎn)軸位于導(dǎo)葉后方時導(dǎo)葉所受最大水平波浪荷載。3.2變翼裝置的波浪傳播方向垂直分布將3.1節(jié)模型的導(dǎo)葉在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，導(dǎo)葉頂端距離水面仍為0.05m。當(dāng)提取導(dǎo)葉最大轉(zhuǎn)動角度為42°時，導(dǎo)葉所受垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的水平力以及導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動角度的時程，如圖6所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，相對于導(dǎo)葉軸垂直于波浪傳播方向布置時正負(fù)向水平波浪荷載的均有明顯降低（最大值降低到接近原最大值的1/10），一個周期內(nèi)正向波浪荷載作用的時間比例（約75%）遠(yuǎn)大于負(fù)向荷載作用的時間比例（約25%）。受到導(dǎo)葉本身自重略大于水的密度的原因，導(dǎo)葉始終有向下擺動的趨勢，導(dǎo)葉向下擺動的最大角度為28°大于導(dǎo)葉向上擺動的最大角度13.6°。通過圖6與圖3、圖4比較發(fā)現(xiàn)，可變翼裝置中旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)軸與波浪傳播方向平行位置處的導(dǎo)葉，所受到的驅(qū)動裝置旋轉(zhuǎn)發(fā)電的波浪荷載遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)軸與波浪傳播方向垂直位置處的導(dǎo)葉。在整個可變翼裝置旋轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)軸與波浪傳播方向平行位置處的導(dǎo)葉對裝置的旋轉(zhuǎn)發(fā)電貢獻(xiàn)非常小，葉輪的旋轉(zhuǎn)受轉(zhuǎn)動到導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸位于導(dǎo)葉后方的導(dǎo)葉控制。4以最大水平波浪傳播裝置為目標(biāo)的提升裝置捕能效率的方法通過以上分析發(fā)現(xiàn)，葉輪的旋轉(zhuǎn)主要受旋轉(zhuǎn)軸垂直于波浪傳播方向、旋轉(zhuǎn)軸位于波浪傳播方向后方的導(dǎo)葉控制，因此為研究導(dǎo)葉所受垂直于旋轉(zhuǎn)軸的最大水平波浪荷載與不同波浪要素之間的關(guān)系，將導(dǎo)葉旋轉(zhuǎn)軸布置在與波浪傳播方向垂直的后方，分別選取不同的波浪工況對長0.20m、寬0.16m、厚0.02m的導(dǎo)葉模型進(jìn)行試驗(yàn)。提取水深0.80m，波高0.25m，周期分別為1.2、1.4、1.6、1.8、2.0s的波浪工況下導(dǎo)葉所受最大水平荷載，如圖7所示?？砂l(fā)現(xiàn)在1.2～2.0s周期范圍內(nèi)，導(dǎo)葉所受垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的最大水平荷載隨周期增大而減小。另外通過其他幾組波浪工況下的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉所受垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的最大水平荷載隨水深略有減小，隨波高增大而增大，隨入水深度增大而減小，這與前期可變翼裝置葉輪的轉(zhuǎn)速受波浪條件的影響規(guī)律可變翼裝置處于初設(shè)階段，捕能效率較低，亟需優(yōu)化以提高效率。以整個葉輪為研究對象的提升效率的方法對每一種新方案都需要重新制作葉輪，這種方法比較費(fèi)時費(fèi)力，因此期望提出一種較為準(zhǔn)確、簡便地進(jìn)行裝置優(yōu)化、提升捕能效率的新方法?；谝陨峡紤]，本文提出以導(dǎo)葉所受最大水平波浪荷載為目標(biāo)的提升裝置捕能效率的方法，并與已有的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證。文獻(xiàn)選取文獻(xiàn)5以最大水平波浪荷載為目標(biāo)的提升裝置捕能效率的方法1）針對可變翼裝置導(dǎo)葉水動力性能的簡化模型進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)，明確了轉(zhuǎn)動到旋轉(zhuǎn)軸位于導(dǎo)葉后方時的導(dǎo)葉對葉輪的轉(zhuǎn)動起控制作用。2）明確了波浪作用下導(dǎo)葉所受最大水平波浪荷載受波浪條件的影響規(guī)律：導(dǎo)葉所受垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的最大水平荷載隨水深略有減小、隨周期的增大而減小、隨波高的增大而增大、隨入水深度的增大而減小。3）提出了以導(dǎo)葉所受最大水平波浪荷載為目標(biāo)