[发明专利]一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法

权利要求书

1.一种振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，根据所需模拟装置的实际尺寸，绘制振荡水柱式波能发电装置的三维几何模型，该三维几何模型由波浪水槽、气室以及空气透平三部分组成；

步骤2，对步骤1中生成的几何模型进行边界条件设置：

将波浪水槽及气室的边壁、底部边界条件设置为静止无滑移壁面；将波浪水槽顶部及空气透平所在的输气管道出口设置为压力出口边界；气室和包含空气透平的输气管道之间采用交界面边界条件进行连接；

步骤3，将上述几何模型进行网格划分：

波浪水槽及气室部分采用六面体网格；空气透平模型中，动叶片表面、动叶片轮毂及导流叶片轮毂采用三角形网格，动叶片区域由四面体混合网格生成，导流叶片表面使用四边形网格，导流叶片区域由六面体网格生成，动叶片和上下游导流叶片之间通过滑移网格界面连接；

步骤4，将步骤3中生成的网格文件导入到ANSYS-Fluent软件中；

步骤5，进行求解设置：

模型计算求解的控制方程为连续性方程和雷诺时均纳维尔—斯托克斯方程；湍流模型采用RNG k-ε模型；动量方程和湍动能均采用二阶迎风格式；模型采用两相流体体积法追踪水气交界面的实时变化，通过Patch方法定义水相和空气相；

步骤6，利用动网格技术推板造波：

采用用户自定义函数中的DEFINE_CG_MOTION命令控制波浪水槽左边界的造波板运动，实现入射波浪的产生；

步骤7，入射波随着造波板的运动而产生并传播到气室，在入射波作用下气室内的水面上下振荡从而带动输气管道内的气流往复运动，空气透平在往复气流的驱动下启动旋转，并产生一定的扭矩输出；

空气透平模型采用滑移网格技术，静区域绝对静止，动叶片实际旋转，利用用户自定义函数中的DEFINE_ADJUST以及DEFINE_ZONE_MOTION命令实现动叶片受力的求解与运动状态的更新；

在数值计算中，空气透平受气流驱动由静止状态发展到加速旋转状态，空气透平在t时刻的转速由下式获得：

式中，ω_t与ω_t-Δt分别代表t与t-Δt时刻的角速度，T代表气流作用下空气透平动叶片的输出力矩，I表示空气透平动叶片的转动惯量，透平在t+Δt时刻的角位移为：

α_t+Δt＝α_t+ω_t·Δt

式中，α_t与α_t+Δt分别代表t与t+Δt时刻的角位移；

步骤8，根据实际情况设置计算时间步长和迭代步数，完成计算，获得结果数据，包括气室内自由液面高度、气室内压强、空气流速、空气透平的转速和扭矩输出。

2.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：步骤1绘制的三维几何模型中，波浪水槽的尺寸为长60m×宽0.8m×高1.5m；气室的尺寸为长0.6m×宽0.8m×高1.2m，前墙高度为0.65m；空气透平为冲击式，直径为0.12m，包含28个动叶片和22组上下游对称的导流叶片。

3.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤3中，波浪水槽及气室部分采用六面体网格，其网格高度与长度分别不超过入射波高与波长的1/15与1/70，并将自由液面附近的网格在竖向上加密，加密高度为1.5倍波高。

4.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤3中，采用Gambit或ANSYS-ICEM软件进行网格划分，最终生成mesh格式的网格文件。

5.根据权利要求1所述振荡水柱式波能发电装置的全过程数值模拟方法，其特征在于：在步骤5中，水深定义为0.75m。