海洋波浪能作为一种无污染的可再生能源,长期以来,世界各国对其投入了大量的研究。我国是海洋大国,可利用的波浪能极为丰富。课题研究主要目的是对基于相对垂荡运动的波能转换装置的性能进行研究。该转换装置由半球加圆柱形浮子和水下管筒组成,管筒中有水力活塞,通过活塞将波浪的运动传递到浮子内的转换系统获得电能。为此,本文开展了以下几个部分的研究工作。 (1)水动力分析。在波能转换装置中经常用到利用两个物体的相对运动获取波能。波能装置设计必须以水动力数据为依据,它是提供设计数据不可或缺的手段。本文以线性波理论为基础,采用特征函数展开匹配法,推导了基于相对垂荡运动的波能转换装置周围整个流场的速度势表达式,继而得到了水动力系数、波浪激励力。 (2)模型实验。设计了一种新型的波能转换装置模型,并在此基础上进行了规则波中的模型实验。主要通过改变入射波波高、周期和外加负载等参数的变化来研究它们与发电装置输出功率之间的关系。在实验条件下,负载相同时,电机输出功率随入射波周期增大而先增大后减小,在周期为1.4s时出现最大值。入射波周期相同时,输出功率在负载为140Ω～160Ω时出现最大值。 (3)数值计算结果分析。将实验中水面浮子底部半球形简化为圆柱形,将数值计算得到的发电机输出功率与实验条件下的测量结果进行了比较,数值计算和模型试验结果基本吻合,数值计算结果合理。将发电机模拟成一个阻尼器,通过数值计算,分析了外部负载阻尼对相对垂荡运动及电机输出功率等的影响。在所取的外部负载阻尼范围0～200N·s/m内,随着外部负载阻尼的增大,电机输出功率及波能转换效率都有较大的峰值,且峰值向较大周期的方向移动。