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案例1：岸式振荡水柱波能发电装置气室结构

案例1：岸式振荡水柱波能发电装置气室结构

1. 案例介绍

振荡水柱式波能装置（Oscillating Water Column，简称OWC）是发展最早的一类波浪能发电装置，其结构组成如图1所示。该装置优点是能量转换系统的结构简单，无水下活动部件，可靠性较高。岸式OWC装置是目前技术成熟度最高、最接近商业化开发的波浪能装置。本案例使用计算流体力学商业软件ANSYS-Fluent对OWC气室结构进行模型构建、网格划分及数值求解等，对结果文件进行可视化后处理，有助于帮助学生掌握先进研究工具，提高实践能力。

图1-1 岸式振荡水柱波能发电装置工作原理

2. 案例学习目标

（1）了解振荡水柱式波浪能发电装置的工作原理；

（2）了解计算流体力学求解的基本方法与流程；

（3）掌握OWC气室模型及网格划分的方法；

（4）掌握两相流追踪自由液面模型的设置方法以及气室模拟的求解步骤；

（5）掌握数据处理能力与可视化处理方法，实现OWC装置关键性能参数的模拟与预测。

3. 案例基本内容

（1）气室模型构建与网格划分

基于ANSYS-ICEM CFD构建二维岸式振荡水柱气室结构模型与水槽模型，并进行网格划分。水槽部分网格使用结构化网格，规则排列的网格在减少网格数量的同时可规避不必要的数值耗散；气室部分则采用具有良好适应性的非结构化网格。最后将两部分网格进行合并输出，如图1-2所示。

图1-2 气室与水槽结构网格划分

（2）计算求解设置

OWC气室的计算求解主要涉及到两相流问题，需要设置气相及水相，并选择合适的湍流模型进行求解。对于OWC结构，除水槽顶部设置为压力出口边界条件外，其余边界设置为静止无滑移壁面即可。本案例采用推板造波造波方式产生入射波浪，还用到了用户自定义函数来控制造波边界。设置完毕后的计算模型如图1-3所示。详细步骤可见本案例配套出版的图书教程。

图1-3 OWC计算模型

（3）后处理

根据计算过程中监测及保存的关键物理参量，可利用公式计算装置的空气功率、转换效率等性能指标。此外，还可通过后处理展现装置水气分布云图、压力云图等信息，如图1-4所示，有助于进一步理解OWC装置的能量转换机理，提出提高装置性能的有效途径。

图1-4 计算结果云图

4. 案例小结与案例应用效果

OWC装置是近年来海洋能研究领域的热点，本案例介绍了利用ANSYS-Fluent开展OWC装置数值模拟的计算步骤，使学生熟知了先进科研工具的使用方法，便于在教学时帮助学生将理论公式进行具象化的感知，锻炼了学生运用科研工具解决实际问题的能力，取得了良好的效果。

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