[發(fā)明專利]一種基于人工造浪的水動(dòng)力提升裝置及其性能測試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010310227.1
• 申請(qǐng)日: 2020-04-20
• 公開（公告）號(hào): CN111501657B
• 公開（公告）日: 2021-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳求穩(wěn);林育青;朱立俊;范紅霞;陳誠;王智源;王建中;王麗;馮然然;楊培思
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院
• 主分類號(hào): E02B1/00
• 分類號(hào): E02B1/00;E02B1/02;G06F30/28;G06F30/23;G06F113/08;G06F111/10
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 馮艷芬

1.一種基于人工造浪的水動(dòng)力提升裝置的性能測試方法，所述基于人工造浪的水動(dòng)力提升裝置包括電機(jī)、曲軸、漂浮支架、連接線、滑輪和浮筒，所述電機(jī)和所述滑輪安裝在所述漂浮支架上，所述曲軸固定在所述電機(jī)上，所述連接線一端連接所述曲軸，另一端繞過滑輪與位于漂浮支架下的浮筒連接；其特征在于該性能測試方法包括如下步驟：

S1、獲取水動(dòng)力弱區(qū)域尺寸；

S2、建立水動(dòng)力弱區(qū)域縮小后的物理模型，其中，縮小比例為預(yù)設(shè)平面比尺λ_L；

S3、在水動(dòng)力弱區(qū)域物理模型中隨機(jī)選擇S個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布置浪高監(jiān)測設(shè)備；

S4、設(shè)置m*n種工況，具體為設(shè)置水動(dòng)力提升裝置中浮筒直徑或邊長分別為r₁、r₂、…、r_m、浮筒振幅分別為h₁、h₂、…、h_n的工況，并按照平面比尺λ_L將設(shè)置的工況進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到水動(dòng)力提升裝置物理模型的m*n種工況，具體為直徑或邊長r₁’、r₂’、…、r_n’浮筒振幅分別為h₁’、h₂’、…、h_n’的工況，其中，

S5、按照預(yù)設(shè)工況啟動(dòng)電機(jī)，得到所有工況下的波浪高度集合A’＝{a'_l|l＝m*n*S}和波浪周期集合T’＝{t'_l|l＝m*n*S}；

S6、將波浪高度集合A’中所有波浪振幅按照平面比尺λ_L進(jìn)行換算，將波浪周期集合T’中所有波浪周期按照周期比尺λ_T進(jìn)行換算，得到水動(dòng)力弱區(qū)域天然狀態(tài)下的波浪振幅集合A＝{a_l|l＝m*n*S}和波浪周期集合T＝{t_l|l＝m*n*S}，其中，a_l＝λ_La'_l，t_l＝λ_Tt'_l，

S7、根據(jù)波浪高度集合A和波浪周期集合T，得到水動(dòng)力提升裝置的性能，其中，弱動(dòng)力區(qū)域波浪高度越高，水動(dòng)力提升性能越好。

2.一種基于人工造浪的水動(dòng)力提升裝置的性能測試方法，所述基于人工造浪的水動(dòng)力提升裝置包括電機(jī)、曲軸、漂浮支架、連接線、滑輪和浮筒，所述電機(jī)和所述滑輪安裝在所述漂浮支架上，所述曲軸固定在所述電機(jī)上，所述連接線一端連接所述曲軸，另一端繞過滑輪與位于漂浮支架下的浮筒連接；其特征在于該性能測試方法包括如下步驟：

S1、建立水動(dòng)力弱區(qū)域的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，具體包括：

(1)質(zhì)量連續(xù)方程：

式中，u,v,w為笛卡爾坐標(biāo)系x、y和z三個(gè)方向的速度分量，A_x,A_y,A_z分別是在x、y、z方向上可流動(dòng)的面積分?jǐn)?shù)，ρ為流體密度，R_SOR為密度源項(xiàng)；

(2)動(dòng)量方程：

式中,G_x,G_y,G_z分別是x、y和z三個(gè)方向的重力加速度；f_x,f_y,f_z分別是x、y和z三個(gè)方向的粘滯力加速度；項(xiàng)U_w＝(u_w，v_w，w_w)表示源組件三個(gè)方向的速度；項(xiàng)U_s＝(u_s，v_s，w_s)表示源表面處的流體相對(duì)于源本身三個(gè)方向的速度；V_F是有自由面的流體體積分?jǐn)?shù),R是坐標(biāo)系數(shù)，當(dāng)選用笛卡爾坐標(biāo)系時(shí)其值為1，δ表示一個(gè)系數(shù)，取0時(shí)，表示壓力邊界條件為滯壓型，取1時(shí)，表示壓力邊界條件為靜壓型；

(3)湍流模型：

式中，k_T為湍動(dòng)能，P_T為湍流產(chǎn)生項(xiàng)，G_T為浮力產(chǎn)生項(xiàng)，為擴(kuò)散項(xiàng)，ε_T為湍動(dòng)能耗散率，RMTKE，CDIS1和CNU為用戶定義參數(shù)，默認(rèn)值分別是1.39，1.42和0.085，CDIS2由k_T和P_T計(jì)算得到，v_T為運(yùn)動(dòng)湍流粘度；

(4)流體分布：

流體分布根據(jù)流體體積函數(shù)F(x，y，z，t)來定義，該函數(shù)表示每單位體積的流體#1的體積，且滿足如下等式：

式中：F是函數(shù)F(x，y，z，t)縮寫，ζ是坐標(biāo)系數(shù)，當(dāng)選用笛卡爾坐標(biāo)系時(shí)其值為0，υ_F為擴(kuò)散系數(shù)，F(xiàn)_SOR是密度源項(xiàng)，是與質(zhì)量源相關(guān)的流體#1的體積分?jǐn)?shù)時(shí)間變化率；

S2、獲取水動(dòng)力弱區(qū)域的邊界，并采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分為若干網(wǎng)格，水動(dòng)力弱區(qū)域四周及底部均采用無劃移Wall邊界，頂部設(shè)置為壓力邊界，大氣壓強(qiáng)為1.01×10⁵Pa，流體分?jǐn)?shù)設(shè)置為0，表示完全是空氣；

S3、建立水動(dòng)力提升裝置的數(shù)學(xué)模型，放置于水動(dòng)力弱區(qū)域中心；

S4、設(shè)置m*n種工況，具體為設(shè)置水動(dòng)力提升裝置浮筒直徑或邊長分別為r₁、r₂、…、r_m浮筒振幅分別為h₁、h₂、…、h_n的工況；

S5、水動(dòng)力提升裝置分別按照設(shè)置的工況啟動(dòng)，通過建立的水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型追蹤自由表面流動(dòng)，確定自由液面位置，并基于有限差分法對(duì)模型進(jìn)行離散求解和GMRES隱式求解器計(jì)算，得到所有工況下各區(qū)域速度分布；

S6、根據(jù)各工況下各區(qū)域速度分布，得到水動(dòng)力提升裝置的性能，其中，流速越大，水動(dòng)力提升性能越好。