[论文解读] Computational fluid dynamic simulation of hull reservoir wave energy device

V A U De Alwis, A P K De Silva+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2022

Wave and Wind Energy Systems参考文献 13被引用 1

一句话总结

本研究通过计算流体动力学（CFD）模拟了一种新型船体蓄水波能转换器（HRWEC），该装置通过船体俯仰运动和内部挡板旋转（由晃动水体驱动）来捕获波浪能。利用 ANSYS-AQWA 和 ANSYS-FLUENT，研究人员在规则波条件下分析了水动力性能，识别出第3种工况（内部水体体积为3.0 m³）为最优，其最大捕获因子达到53.2%，超过参考工况，凸显了内部水位在效率优化中的关键作用。

ABSTRACT

This paper presents a Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis of a wave energy device called the Hull Reservoir Wave Energy Converter (HRWEC). The device consists of a floating hull and a flap connected to the shaft of power take-off system (PTO), which is integral to the hull structure. It is unique due to its ability to convert wave energy by utilizing the pitch motion of the hull and rotating flap due to the internal water movement in the hull. Due to the complexity of the internal fluid dynamics, a CFD-based analysis was considered most appropriate. The CFD investigation of the dynamics of the device was done under regular wave conditions by using the ANSYS-AQWA and ANSYS FLUENT. Relative pitch angle variation, the hydrodynamic coefficients, which determine the degree of power extraction, were obtained from simulated results. A simulation was designed exhibiting complete system dynamics for different configurations varying on internal water height. Excellent convergence was observed,and an optimum configuration was identified. It is expected to validate the simulation results through experiments in the foreseeable future.

研究动机与目标

• 通过计算流体动力学评估一种新型船体蓄水波能转换器（HRWEC）的水动力性能。
• 研究内部水体体积对功率提取效率及装置动力学的影响。
• 通过与PeWEC装置的实验数据对比，验证CFD模拟方法的可靠性。
• 识别出能最大化能量捕获的最优内部水位及PTO阻尼系数。

提出的方法

• 采用 ANSYS-AQWA 模拟规则波条件下波浪-结构相互作用及水动力系数。
• 利用 ANSYS-FLUENT 建模内部流体晃动动力学，提取挡板和船体上的作用力与力矩。
• 针对四种不同内部水体体积（0–3.5 m³）的工况开展模拟，评估性能权衡。
• 计算捕获因子随PTO阻尼系数的变化关系，以确定最大能量提取的最优阻尼值。
• 通过将模拟得到的捕获因子与PeWEC装置的实验结果对比，验证CFD模型。
• 分析湍流效应与能量耗散，评估内部流体对系统效率的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 HRWEC船体中引入内部水体如何影响其水动力性能与功率捕获效率？
• RQ2 在规则波条件下，何种内部水体体积可使捕获因子达到最大？
• RQ3 PTO阻尼系数如何影响捕获因子？其最优值为何？
• RQ4 CFD模拟模型在多大程度上能准确复现真实设备行为？通过与PeWEC实验数据对比验证。
• RQ5 不同水体体积下，内部流体作用力（如阻力与力矩）如何变化？其对系统动力学有何影响？

主要发现

• 第3种工况（内部水体3.0 m³）实现了最高的最大捕获因子53.2%，优于参考工况（49.8%）及其他配置。
• 捕获因子随PTO阻尼系数先增加后下降，表明每种配置均存在明确的最优阻尼值。
• 第2种工况（2.5 m³水体）在非参考工况中表现最佳，在最优阻尼下捕获因子达42%。
• 参考工况（无内部水体）的最大捕获因子为49.8%，通过与PeWEC实验数据对比，验证了CFD模型的有效性。
• 引入内部流体可降低能量耗散，并改变水动力载荷，表现为阻力减小，而力矩行为随水体体积增加变得更加复杂。
• 模拟展现出优异的收敛性与可靠性，为HRWEC设计的后续实验验证提供了有力支持。