吳必軍，張芙銘，覃梓真，饒 翔

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640；2.中國科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室（廣州），廣州 511457；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026）

0 引 言

全球海洋波浪能資源儲(chǔ)量豐富，開發(fā)潛力巨大。當(dāng)前全球開發(fā)利用波浪能的技術(shù)種類繁多[1]，振蕩水柱技術(shù)是其重要組成部分。振蕩水柱裝置主要由腔體、水柱、氣室、空氣透平和發(fā)電機(jī)組成，可分為固定式裝置和漂浮式裝置[2]，有單氣室也有多氣室[3-6]，有單向流做功方式和雙向流做功方式[7-8]，技術(shù)種類也很多，其轉(zhuǎn)換原理是波浪導(dǎo)致腔體內(nèi)的水柱產(chǎn)生往復(fù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)的水柱推動(dòng)氣室內(nèi)的空氣產(chǎn)生流動(dòng)，流動(dòng)的氣體推動(dòng)空氣透平轉(zhuǎn)動(dòng)而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在振蕩水柱技術(shù)研究中，波浪能到氣動(dòng)能量的轉(zhuǎn)換是一個(gè)重要的中間過程，其轉(zhuǎn)換特性國際上習(xí)慣用俘獲寬度比（capture width ratio,CWR）進(jìn)行描述[1]。當(dāng)前人們主要以簡單圓形噴嘴（阻尼孔）形式實(shí)驗(yàn)研究雙向做功條件下波周期、波高、裝置形狀、噴嘴比、錨泊系統(tǒng)等因素對(duì)CWR的影響[9-13]，著名的“巨鯨”號(hào)技術(shù)模型的CWR 最高值為44%[9]，一種水平管為五邊形的后彎管模型水槽實(shí)驗(yàn)CWR 最高值達(dá)到了119.8%[14]。在寬水池實(shí)驗(yàn)中，有一種小型后彎管發(fā)電樣機(jī)的最高CWR達(dá)到204.5%[15]，這是目前文獻(xiàn)報(bào)道的最高值。

空氣透平是振蕩水柱氣動(dòng)式波浪能轉(zhuǎn)換裝置中關(guān)鍵設(shè)備之一，直接影響波浪能發(fā)電裝置的效率和造價(jià)。目前普遍采用對(duì)稱翼透平和沖動(dòng)式透平[7]。對(duì)稱翼透平往復(fù)雙向做功，結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，但實(shí)海況測試轉(zhuǎn)換效率低，明顯低于沖動(dòng)式透平[7]。沖動(dòng)透平有雙向固定導(dǎo)葉沖動(dòng)透平、雙向自調(diào)節(jié)導(dǎo)葉沖動(dòng)透平和單閥式?jīng)_動(dòng)透平等。雙向自調(diào)節(jié)導(dǎo)葉沖動(dòng)透平往復(fù)雙向做功，不僅峰值效率高，而且在大流量系數(shù)區(qū)效率下降緩慢，特別適合在變工況條件下工作，但該透平結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零部件多，加工精度要求高，造價(jià)也高。雙向固定導(dǎo)葉沖動(dòng)透平往復(fù)雙向做功，其上、下游導(dǎo)葉固定不動(dòng)，結(jié)構(gòu)比雙向自調(diào)節(jié)導(dǎo)葉沖動(dòng)透平簡單，其轉(zhuǎn)換效率比雙向自調(diào)節(jié)導(dǎo)葉沖動(dòng)透平低，但仍保留在大流量系數(shù)區(qū)效率下降緩慢的優(yōu)點(diǎn)。單閥式?jīng)_動(dòng)透平在往復(fù)氣流中單向做功，其結(jié)構(gòu)比雙向固定導(dǎo)葉沖動(dòng)透平更簡單，有一個(gè)單向閥門，葉輪和阻尼噴嘴易獲得最佳組合，有較高的轉(zhuǎn)換效率[8]。

本文針對(duì)一種新型的后彎管模型，以簡單圓形阻尼孔形式實(shí)驗(yàn)研究其單、雙向流作用下的初級(jí)轉(zhuǎn)換效率，并對(duì)比研究簡單弓形噴嘴、環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴和帶葉輪和發(fā)電機(jī)的環(huán)形噴嘴形成的阻尼對(duì)模型CWR 的影響。

1 水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

后彎管技術(shù)波浪能轉(zhuǎn)換特性好，該技術(shù)由浮力艙、“L”形管道、氣室、透平和發(fā)電機(jī)組成[14]。傳統(tǒng)后彎管“L”形管道由水平部分和垂直部分組成，兩個(gè)部分的截面形狀是圓形或長方形，而且面積相等[10-11,16-17]，最近幾年水平管部分呈現(xiàn)了一種五邊形形式[14]。本文提出一種新的后彎管振蕩水柱技術(shù)方案，新方案模型實(shí)物圖及尺寸和結(jié)構(gòu)如圖1 所示。模型由浮力艙、水平管、垂直管、氣室和噴嘴組成，水平管和垂直管構(gòu)成“L”形管道，模型整體尺寸寬510 mm、長1 200 mm、高860 mm，水平管的垂直截面為一個(gè)六邊形，管道上底面和下底面兩塊板的夾角不相等，分別是150°和120°，管道面積為163 965 mm2，垂直管的水平截面面積為130 560 mm2，模型本體質(zhì)量為37 kg，采用1 mm鋼板制造。理論上水平管的垂直截面積大于氣室的水平截面積，垂直管道內(nèi)流體的流速會(huì)大于水平管道內(nèi)流體的流速，從而提高氣室內(nèi)氣體的流速，有望提高氣動(dòng)功率；另外將水平管截面設(shè)計(jì)成六邊形，能夠減少模型做搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)受到水的阻力，增大運(yùn)動(dòng)幅度，進(jìn)一步提高氣體的運(yùn)動(dòng)速度，提高模型的俘獲性能。在模型氣室側(cè)面設(shè)有單向閥的安裝孔，孔的直徑為148 mm，通過裝、卸單向閥可使模型實(shí)現(xiàn)氣流單向、雙向做功模式。垂直管上方留有一個(gè)阻尼噴嘴和兩個(gè)傳感器安裝口，用于安裝液位計(jì)和氣體差壓計(jì)。采用鋼制錨鏈。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停海╝）模型尺寸圖；（b）模型實(shí)物圖Fig.1 The experimental model: (a) the model dimensions;(b) the real model

實(shí)驗(yàn)采用3 種阻尼元件，每一種阻尼元件設(shè)計(jì)3 種氣隙面積。第一種阻尼元件為簡單弓形噴嘴（弓形易于控制孔的面積），氣隙面積分別為1 321 mm2、836 mm2和515 mm2，與氣室水線面積之比稱為噴嘴比，分別為1∶99、1∶156 和1∶256。第二種阻尼元件為環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴，設(shè)計(jì)的環(huán)形導(dǎo)葉元件實(shí)物如圖2 所示，葉片為常規(guī)升力型翼型，中間厚，兩端薄，通過改變翼型厚度和環(huán)形大小可以改變導(dǎo)葉喉部空隙面積，共設(shè)計(jì)了3 種環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴，噴嘴導(dǎo)葉喉部氣隙面積分別為1 321 mm2、836 mm2和515 mm2。第三種阻尼元件是在環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴的基礎(chǔ)上，匹配葉輪和發(fā)電機(jī)，葉輪為動(dòng)力元件，實(shí)物如圖3 所示，圖3 中小葉輪與導(dǎo)葉喉部面積為515 mm2的環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴配對(duì)，大葉輪與其他兩種環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴配對(duì)，本文把這種阻尼元件稱為發(fā)電環(huán)形元件。實(shí)驗(yàn)采用的微型發(fā)電機(jī)實(shí)物如圖4 所示，其電參數(shù)為單相交流發(fā)電機(jī)，內(nèi)阻為30 Ω，額定功率為6 W，額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，經(jīng)整流后給12 V電池充電。

圖2 環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴的進(jìn)氣面（左圖）和出氣面（右圖）Fig.2 Intaking surface (on the left) and exhalenting surface(on the right) of the annular guide vane nozzle

圖3 動(dòng)力葉輪Fig.3 The power impeller

圖4 微型發(fā)電機(jī)Fig.4 The miniature generator

2 試驗(yàn)設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方法

模型能量轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)在中國科學(xué)院廣州能源研究所的造波水槽中進(jìn)行，水槽寬1.2 m、高1.2 m、長56 m，如圖5 所示。造波機(jī)及測試設(shè)備描述見參考文獻(xiàn)[18]。模型試驗(yàn)時(shí)水槽水深為0.90 m，錨鏈長1.2 m，自然垂鏈，錨掛點(diǎn)如圖5 所示。

圖5 新型后彎管模型實(shí)驗(yàn)布置Fig.5 Experimental arrangement of the new BBDB model

由數(shù)字波高儀可測量出波高、波周期，從而計(jì)算出入射波功率。在規(guī)則波實(shí)驗(yàn)中，正弦規(guī)則波的入射波功率Preg按下列公式計(jì)算。

式中：h為入射波平均波高，m；d為水深，m；B為浮體迎波寬度，m；c為波的傳播速度（相速度）；k為波數(shù)。相速度c=λT，波數(shù)k= 2πλ；其中，λ為入射波波長，m；T為入射波平均周期，s。λ通過下式迭代求出：

在模型隨機(jī)波能量轉(zhuǎn)換試驗(yàn)中，隨機(jī)波功率Pirr采用下式計(jì)算[18]：

式中：Hs為有義波高，m；Tz為波平均周期，s；Pirr的單位為kW。

轉(zhuǎn)換系統(tǒng)氣室輸出氣動(dòng)功率通過節(jié)流孔獲得，在氣體不可壓縮條件下由氣室水位變化和壓強(qiáng)差導(dǎo)出。系統(tǒng)氣室雙向輸出平均氣流功率Pair計(jì)算公式如下[14]：

式中，Δpi為第i次采樣時(shí)氣室內(nèi)壓力差；l i和li+1分別為第i和i+1 次采樣時(shí)氣室內(nèi)水位；S為氣室水線截面積；n為采樣總次數(shù)；tΔ 為采樣時(shí)間間隔。

氣室單向流做功氣動(dòng)功率處理公式如下：

式中：氣室吸氣氣壓差為負(fù)，系統(tǒng)氣室做功當(dāng)成0處理。

采用CWR 描述波浪能裝置能量轉(zhuǎn)換特性是國際上公認(rèn)的方法[1]，振蕩水柱技術(shù)CWR 定義為俘獲的氣動(dòng)能量與裝置寬度內(nèi)波浪能量的比值，本文中CWR 采用η表示，對(duì)于規(guī)則波和隨機(jī)波，計(jì)算公式分別為：

在數(shù)據(jù)處理中，常選取前10 個(gè)比較穩(wěn)定的波形作為入射波的代表，計(jì)算波高的平均值和波周期的平均值，用此波高和周期計(jì)算入射波功率密度，這是因?yàn)楹罄m(xù)的波由于在裝置處發(fā)生反射并與原入射波疊加，使測量入射波的結(jié)果誤差較大；對(duì)于由規(guī)則波引起的氣動(dòng)數(shù)據(jù)，選取從穩(wěn)定振蕩開始與入射波等長的時(shí)間段；對(duì)于隨機(jī)波，入射波數(shù)據(jù)與氣動(dòng)數(shù)據(jù)選取時(shí)間段為327 s，與造波時(shí)間段相等，波數(shù)大于200 個(gè)。

3 簡單圓形阻尼下模型的CWR 特性

3.1 規(guī)則波下波周期對(duì)模型CWR 的影響

在模型總質(zhì)量為48 kg（配重11 kg）時(shí)，以裝置迎浪面最低點(diǎn)為原點(diǎn)，原點(diǎn)指向背浪面方向?yàn)閤軸，左舷方向?yàn)閥軸，垂直向上為z軸，此時(shí)裝置的重心為（645.7 mm,0,476.1 mm），浮心為（645.7 mm,0,411.7 mm），吃水為486 mm，y方向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Iyy為8.165 kg·m2。在簡單圓形元件直徑40 mm 和規(guī)則波波高0.05 m 設(shè)置不變的條件下，改變波的周期，對(duì)氣流單向做功、雙向做功的初級(jí)轉(zhuǎn)換性能進(jìn)行測試，結(jié)果如圖6 所示。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，模型在氣流單向、雙向做功兩種工況下的CWR 隨周期響應(yīng)曲線相似，呈單峰曲線，隨著周期增大，CWR逐漸上升，在周期為1.45 s 時(shí)達(dá)到峰值，然后逐漸下降。氣流單向做功的情況下，CWR 峰值為113.7%，而在氣流雙向做功時(shí)，CWR 峰值為138.6%，高于水平管為五邊形的后彎管模型最高CWR 值[14]。氣流雙向做功的CWR 高于單向做功的CWR，CWR峰值提高了21.9%。

圖6 規(guī)則波下模型的CWR 轉(zhuǎn)換特性Fig.6 Variation of CWR with wave period under regular waves

3.2 隨機(jī)波下譜峰周期對(duì)模型CWR 的影響

考慮到實(shí)海況的波浪是隨機(jī)的，隨機(jī)波下系統(tǒng)的波浪能量轉(zhuǎn)換特性對(duì)估算實(shí)型裝置的發(fā)電性能具有重要參考價(jià)值。保持模型總質(zhì)量48 kg 不變，在有義波高0.08 m 等條件基本不變的情況下，改變隨機(jī)波的譜峰周期Tp，對(duì)模型在隨機(jī)波下的能量轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行水槽實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖7 所示。由圖可知，兩類做功方式下，在譜峰周期為1.2～ 1.8 s 區(qū)間內(nèi)，裝置的性能表現(xiàn)良好，CWR 均較高，均在譜峰周期為1.5 s 左右達(dá)到峰值。模型在氣流雙向做功的情況下，CWR 峰值可達(dá)94%；而模型在氣流單向做功的情況下，CWR 峰值為81.9%，但此時(shí)CWR 隨Tp變化的曲線在峰值周圍更加平緩，而在3.1 小節(jié)的規(guī)則波結(jié)果中，氣流單向/雙向做功方式不同而導(dǎo)致模型CWR 的差值為21.9%，在隨機(jī)波實(shí)驗(yàn)中，該差值降低到12.1%。氣流雙向做功的隨機(jī)波條件下，模型的峰值CWR 大約是“巨鯨號(hào)”模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的3 倍[9]，表現(xiàn)出良好的波浪能量轉(zhuǎn)換特性。

圖7 CWR 隨隨機(jī)波譜峰周期的變化情況Fig.7 Variation of CWR with peak spectral period under random waves

4 多環(huán)節(jié)阻尼對(duì)模型單向CWR 特性的影響

不同的孔徑、導(dǎo)流方式、匹配方式會(huì)影響氣體的流速和壓力，即會(huì)影響氣室的輸出功率。在單向氣流做功下，設(shè)定規(guī)則波波高為0.08 m，改變波周期，通過實(shí)驗(yàn)考察3 種簡單弓形噴嘴、3 種環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴和3 種發(fā)電環(huán)形元件形成的九種阻尼對(duì)CWR 的影響，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8 所示。圖中，盡管噴嘴比不同，但每一張圖的3 條曲線的趨勢是一致的，而且大小相差不大。在圖8 中，3 條環(huán)形導(dǎo)葉噴嘴的CWR 曲線基本上都處于最低的位置，說明導(dǎo)葉的存在改變了氣流的方向，會(huì)抑制模型吸收波浪能。由3 條發(fā)電環(huán)形元件所對(duì)應(yīng)的CWR 曲線多數(shù)點(diǎn)都處于較高值的現(xiàn)象看出，在導(dǎo)葉的基礎(chǔ)上安裝葉輪與發(fā)電機(jī)，三者與系統(tǒng)的耦合阻尼反而會(huì)提高模型吸收波浪能的性能，推測這是由于葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中在其末端形成負(fù)壓，加速氣流向外流動(dòng)。表1 列出了9 種阻尼下CWR 峰值及對(duì)應(yīng)的波周期情況。對(duì)比圖8 中簡單弓形噴嘴和發(fā)電環(huán)形元件引起的CWR 可以看出，兩種曲線趨勢一致，而且大小相近。從表1 看出，發(fā)電環(huán)形元件阻尼的CWR 最大值約為簡單弓形噴嘴CWR 最大值的1.12 倍?？傊?，在相同噴嘴下，不同的阻尼形式對(duì)CWR 有一定的影響，但趨勢是一致的，簡單弓形噴嘴測量的CWR 值略低于帶發(fā)電機(jī)和葉輪噴嘴的CWR 值，在已知空氣透平發(fā)電機(jī)機(jī)組特性的情況下，利用這一特性可以評(píng)估氣動(dòng)式波浪能發(fā)電技術(shù)的整機(jī)發(fā)電特性。

圖8 不同噴嘴比下CWR 隨周期變化情況：（a）1∶99；（b）1∶156；（c）1∶254Fig.8 Variation of CWR with wave period under different nozzle ratios: (a) 1:99;(b) 1:156;(c) 1:254

表1 模型的峰值CWR 及對(duì)應(yīng)的規(guī)則波周期Table 1 CWR peak value and corresponding regular wave period

5 結(jié) 語

提出一種新型后彎管振蕩水柱技術(shù)應(yīng)用方式，其特點(diǎn)是垂直管截面和水平管截面不相等，而且水平管截面是一個(gè)“凹”形六邊形，其上下夾角不相等。水槽實(shí)驗(yàn)研究表明，在氣流單向做功條件下，規(guī)則波下CWR 峰值為113.7%，隨機(jī)波下CWR 峰值為81.9%，而在氣流雙向做功時(shí)，規(guī)則波下CWR峰值為138.6%，隨機(jī)波下CWR 峰值為94.0%。通過實(shí)驗(yàn)考察了多種阻尼對(duì)CWR 的影響。結(jié)果表明，相對(duì)簡單氣孔阻尼，帶有導(dǎo)葉、葉輪和發(fā)電機(jī)元件的阻尼的模型，其CWR 高于簡單純氣孔的CWR，兩者CWR 曲線變化的趨勢幾乎一致。這種“凹”形水平管的后彎管技術(shù)具有優(yōu)異的波浪能量轉(zhuǎn)換特性。