基于vof模型的振蕩水柱氣室三維數(shù)值模擬

基于vof模型的振蕩水柱氣室三維數(shù)值模擬

作為一個(gè)長海的海洋資源大國，中國在利用海洋能源開發(fā)，尤其是海上波浪能源方面具有固有的優(yōu)勢(shì)。波浪能的分布廣泛,能量密度高,波浪能發(fā)電多是在沿岸和海上進(jìn)行,因此不占用土地,不需要遷移人口,且具有綜合利用效益,多年來一直是海洋可再生能源中的開發(fā)熱點(diǎn)。目前,振蕩水柱波能發(fā)電裝置是實(shí)用化與商業(yè)化開發(fā)程度最高的波浪能轉(zhuǎn)換裝置之一。該類裝置主要由氣室、輸氣管道、空氣透平與發(fā)電機(jī)組構(gòu)成。氣室為一半淹沒空倉結(jié)構(gòu),倉室前墻下部開敞,入射波浪將帶動(dòng)氣室內(nèi)的水柱做上下振蕩,并帶動(dòng)水體上部的空氣通過輸氣管道與外界大氣之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng),稱為能量一次轉(zhuǎn)換過程?？諝怛?qū)動(dòng)透平電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),便可實(shí)現(xiàn)波浪能向電能的轉(zhuǎn)換,稱為能量二次轉(zhuǎn)換過程。其中,氣室是實(shí)現(xiàn)能量一次轉(zhuǎn)換過程的主要結(jié)構(gòu)。隨著對(duì)波能發(fā)電裝置重視程度的日益增加及研究手段的愈加豐富,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)氣室和能量一次轉(zhuǎn)換過程等相關(guān)問題進(jìn)行了廣泛而深入的研究。劉月琴等對(duì)傳統(tǒng)岸式振蕩水柱波能裝置的氣室部分進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,重點(diǎn)考察了海岸岸坡之間的效應(yīng)關(guān)系及其規(guī)律。當(dāng)入射波周期較大時(shí),海岸岸坡對(duì)振蕩水柱的垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)影響不大,但對(duì)吸能效率和單位寬度波能俘獲率的影響較為明顯。梁賢光等在造波水槽中進(jìn)行了汕尾100kW波力電站氣室模型的性能試驗(yàn)。氣室的波能轉(zhuǎn)換效率不僅隨波周期變化,而且隨波高而異。試驗(yàn)還表明,氣室的形狀對(duì)波能轉(zhuǎn)換率的影響也較大。Brito-Melo用直接計(jì)算方法預(yù)測(cè)振蕩水柱裝置的水動(dòng)力特性,為求解氣室內(nèi)壓力分布,他們改進(jìn)了氣室內(nèi)自由水面處的動(dòng)力學(xué)邊界條件,同時(shí)利用壓力輻射法計(jì)算氣室內(nèi)往復(fù)氣流的壓力。計(jì)算結(jié)果證明邊界元方法能夠有效地計(jì)算波浪的繞射和衍射問題。Lewis&Delaure提出一種計(jì)算岸式振蕩水柱系統(tǒng)的數(shù)值模型,利用一階混合面元法求解在定常邊界條件下規(guī)則波與波能裝置的相互作用。對(duì)規(guī)則波與不規(guī)則波的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了該模型的可靠性。本研究構(gòu)建了基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent的三維數(shù)值波浪水槽,用以研究氣室前的波浪傳播與氣室內(nèi)的水面振蕩變化。該數(shù)值波浪水槽的控制方程為連續(xù)方程和基于雷諾平均的納維爾斯托克斯方程,自由水面的重構(gòu)方法為VOF法。通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了本研究構(gòu)建方法的準(zhǔn)確性及在相關(guān)研究中應(yīng)用的可能性。13d數(shù)值波廳1.1流體體積分?jǐn)?shù)法三維數(shù)值波浪水槽造波板位于水槽的左側(cè),開邊界則位于水槽的右側(cè)(圖1)。該水槽的數(shù)值波浪水槽分別為控制方程和基于雷諾平均的納維爾斯托克斯(RANS)方程:?ui?xj=0(1)?ui?xj=0(1)?ui?t+ui?ui?xi+uj?uj?xj=?1ρ?p?xi+fxi+??xj(v?ui?xj?u′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉ)(2)?ui?t+ui?ui?xi+uj?uj?xj=-1ρ?p?xi+fxi+??xj(v?ui?xj-u′iu′jˉ)(2)式中,t為時(shí)間;xi,xj和ui,uj為x,z方向的坐標(biāo)向量和對(duì)應(yīng)的速度分量;ρ,p,ν和fxi為流體的密度、流體的壓力、運(yùn)動(dòng)粘性常數(shù)和體積力。u′iu′jˉˉˉˉˉˉˉˉ?ρu′iu′jˉ?ρ定義為雷諾應(yīng)力,該項(xiàng)也導(dǎo)致了上述方程式不閉合,需引入相應(yīng)的湍流模型。本研究采用工程中應(yīng)用較為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型用于考察波浪運(yùn)動(dòng)中的湍動(dòng)效應(yīng)。自由水面的追蹤與重構(gòu)采用Hirt&Nichols提出的流體體積分?jǐn)?shù)法,簡稱VOF方法。該方法假設(shè)在某一計(jì)算單元內(nèi)水相所占體積與氣相所占體積的總和為定值,水相的計(jì)算公式如下:?aw?t+?(awui)?xi=0(3)?aw?t+?(awui)?xi=0(3)式中,aw為水相體積分?jǐn)?shù);t為時(shí)間。此外,水氣界面重構(gòu)與通量計(jì)算通過由Youngs在1982年提出的假設(shè)單元內(nèi)的線性斜坡的方法獲得。1.2輻射邊界條件為了更好的揭示振蕩水柱波能發(fā)電裝置的工作機(jī)理,主要采用規(guī)則入射波進(jìn)行研究。造波方法為推板式,數(shù)值波浪水槽的開邊界條件則采用Sommerfield輻射邊界條件,該方法已經(jīng)被證明對(duì)規(guī)則波的吸收較好。造波與消波邊界的功能主要通過Fluent軟件的用戶自定義(UDF)函數(shù)實(shí)現(xiàn),計(jì)算程序中的動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)則采用邊界鋪層的方法。計(jì)算網(wǎng)格則由Gambit2.0生成,并在水氣交界面處進(jìn)行了加密?？刂品匠痰臄?shù)值求解方法采用有限體積法,對(duì)流項(xiàng)的求解則為二階迎風(fēng)格式。速度壓力耦合使用“含有分裂算子壓力隱式的非迭代時(shí)間步進(jìn)(NITA-PISO)”方法。上述方法與VOF法相兼容,且能夠顯著降低計(jì)算耗時(shí)。2氣室結(jié)構(gòu)參量振蕩水柱波能發(fā)電裝置前方的波浪傳播、氣室內(nèi)的自由水面振蕩及輸氣管內(nèi)的往復(fù)氣流的運(yùn)動(dòng)都受到氣室形狀的影響。因此,氣室及其相關(guān)參量在能量一次轉(zhuǎn)換過程中具有重要作用。開展針對(duì)氣室形狀參量的研究,對(duì)揭示振蕩水柱波能裝置的工作機(jī)理、提高氣室工作性能將有較高的工程意義和實(shí)用價(jià)值。本研究所采用的氣室主要的氣室形狀參量包括:氣室寬度lf;氣室前墻吃水深度ds;氣室內(nèi)靜水面上高度lh;氣室前墻厚度ls;氣室頂部開口寬度ld,底坡水平長度lm;底坡坡角θs;氣室墻前平均水深h。若ld=lf,則代表氣室為完全開敞,否則為部分開敞。圓柱形輸氣管安裝在氣室的頂部中央位置,輸氣管的直徑為ld,高度為hd(圖2)。為了考察振蕩水柱波能裝置結(jié)構(gòu)對(duì)氣室工作性能的影響、驗(yàn)證所構(gòu)建三維數(shù)值波浪水槽的準(zhǔn)確性,研究計(jì)算了不同的氣室結(jié)構(gòu)參量(表1)。除表中的形狀參量之外,輸氣管的高度hd=13.2m,底坡水平長度lm=22.86m,底坡坡角θs=26°,氣室的墻前平均水深為16m。此外,本研究采用的入射波高度為1m,入射波周期為3.5~8.0s。3氣室中相對(duì)波幅的變化情況工況1~3中,在不同入射波周期條件下氣室內(nèi)波面生成變化特征相似(表1),以工況2入射波周期T=5.5s時(shí)氣室內(nèi)的波面升沉變化為例。如圖3a所示,當(dāng)振蕩水柱的波面達(dá)到波峰時(shí),氣室內(nèi)各點(diǎn)處的波面高程并不相等:氣室前墻及后墻附近的波面高程大于中部,但前墻與后墻附近的波面達(dá)到最高的時(shí)刻不同。前、后墻兩位置處的波面高程平均值約等于氣室中部的高程值。由圖3b可見,氣室內(nèi)振蕩水柱達(dá)到波谷時(shí),其自由水面的運(yùn)動(dòng)特征與其到達(dá)波峰時(shí)的規(guī)律基本相同,即氣室內(nèi)自由水面高程分布沿入射波方向存在區(qū)別,而在垂直于入射波方向上波面高程的分布差別不大。相對(duì)波幅指氣室內(nèi)的振蕩波幅(a)與入射波幅(a0)的比值,反映了氣室內(nèi)水面振蕩的幅度和劇烈程度。當(dāng)氣室內(nèi)的波幅較大時(shí),振蕩水柱將推動(dòng)更多的空氣在輸氣管內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng),意味著更多的波浪能量可以在能量一次轉(zhuǎn)換的過程中變?yōu)榭諝饽芰俊Ｒ虼?氣室內(nèi)的相對(duì)波幅可以較為準(zhǔn)確的反應(yīng)該裝置工作性能的優(yōu)劣。由圖4可見工況2條件下,入射波周期為T=5.5s時(shí)氣室中部自由水面相對(duì)波幅的變化情況。氣室中自由水面的擺式振蕩造成波幅升沉運(yùn)動(dòng)不再呈正弦變化。此外,自由水面振蕩的周期與入射波周期基本相同,且入射波幅有明顯的提高。各工況條件下的振蕩水柱波能發(fā)電裝置氣室內(nèi)中部的自由水面相對(duì)振幅三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖5所示。為更好的驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果,本研究與ZhenLiou等二維數(shù)值模擬計(jì)算也進(jìn)行了比較。從總體上看,三維數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為吻合;在長周期區(qū),三維數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值更為符合,優(yōu)于劉月琴中的二維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,但仍小于試驗(yàn)值,這是由于相對(duì)于二維計(jì)算,三維數(shù)值模擬能夠更好的處理和垂直于入射波向的波面分布情況及其對(duì)氣室中部的影響。從總體上看,本研究各形狀參量條件下的相對(duì)波幅沿入射波周期的分布規(guī)律基本相同。在短周期區(qū)(T=3.5~6.0s),氣室內(nèi)的相對(duì)波幅隨著周期的增加而增加。在長周期區(qū)(T=6.0~8.0s),氣室內(nèi)的相對(duì)波幅則隨著周期的增加而趨于一個(gè)較為穩(wěn)定的數(shù)值,相對(duì)波幅在2.0左右。由此可見,在進(jìn)行波浪能裝置運(yùn)行的選址過程中,應(yīng)盡量選擇實(shí)海況平均周期大于6.0s的海域。在上述條件下,波能能量的轉(zhuǎn)換效率較高,且裝置的工作性能也較高。4振蕩水柱波能發(fā)電裝置氣室水體振蕩變化的數(shù)值模型本研究構(gòu)建了基于計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent的三維數(shù)值波浪水槽。該數(shù)值水槽的控制方程為連續(xù)方程和RANS方程,自由水面追蹤與重建則采用PLIC-VOF方法,并將上述