用于优化包括小阵列的规则波中的三浮子多模波能量转换器M4的线性衍射分析外文翻译资料

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用于优化包括小阵列的规则波中的三浮子多模波能量转换器M4的线性衍射分析

摘要：

一种基于DIFFRACT代码的频域动态模型已经发展到用来预测三浮子波浪能转换器M4的运动和功率，并被建模为二体问题。该机器之前就已经应用在典型的海上场地，通过实验和数值显示对波段范围的宽带高捕获宽度。浮子的尺寸从首到尾增加；首部和中部浮体通过梁刚性连接，并且尾部浮体通过梁连接到中部浮体上方的铰链，其中旋转产生的相对运动的能量被阻尼吸收。浮子大约是波长的一半，所以浮力和反相运动产生了相对旋转。这里，研究了膨胀的规律波，并且该模型被展示出关于运动的结果、小波高的能量和运动操作的预测。一种线性阻尼器被用来对动力输出建模。在不改变漂浮几何形状或铰链位置的情况下，调整每个频率的线性阻尼因子以将功率增加到实验值得三倍，其中最大值接近于单个浮动的理论值。增加的铰链点在中部浮子的上方高度增加了较高周期的功率，但是可以在较低周期降低功率。由于，浮动运动可能相当的大，这个结果只能指示定性的趋势。已经研究的小型的首部的效果，提升到5台机器，并且，特别的指出首部的波浪能量装置的性能怎么受到了多体相互作用和波方向的影响。因为最佳的阻尼因子被显示为与频率有关，和可以将发电能力增加到3倍，所以这些结果很重要。此外，在选择出适当的间隔时，首部的M4机器之间的流体动力学干扰可以显著的增加发电。

关键字: 波动能量转换器流体、动力学的相互作用、功率输出、功率的吸收、优化、阵列

介绍：

许多设备已被考虑用于将海浪运动转换为电力，看到例如，参见Falcatilde;o（2010），Wolgamot和FitzGerald（2015）和Babarit（2015）。波浪资源在深水海域有很大的空间，这里我们考虑一个具有高捕获宽度的三浮体系泊系统，称为M4（Stansby等人2015a，b）。浮体在尺寸上从首部到尾部逐渐增加，给出一个自然周期的起伏和俯仰的范围，提供一个宽带响应，使得可以获得在典型地点发生的波浪周期范围内产生显着功率。浮子之间的距离约为典型波长的一半，以至于力和浮子运动是反相的。 随着从小型到中型到大型漂浮物的进展，装置自然地朝向波浪方向。图解Fig.1具有实验室规模的尺寸（在开放海上的10秒周期的波浪尺度的场尺度的约1:70），通过梁刚性连接的首部和中部浮子，以及通过梁连接到上方的铰链点在中心轴线上的列上的中间浮动。

中部和尾部的浮子具有圆形基部，具有相同的曲率半径（中部浮体为半球形），以使阻力最小化。这已经演示了使用CFD表现起伏（Stansby等人2015c）。这个设计已经在不同盆地的两个尺度（约1：8和1:40，为了7s的峰值周期的不规则风波）进行了实验研究，并且基于Froude尺度的类似的无量纲结果已经获得，在这种情况下在平基础上漂浮（Stansby等人2015b）。一些数值分析也已基于在时域线性衍射系数（Stansby等人2015A），并且具有一般结构动态模型（Eatock Taylor等频域2016）。后者展示了四个自然模式的相对俯仰响应，三个在典型波周期的范围内（在适当缩放之后）。前者表明，升沉和浪涌迫使产生大部分能量。虽然涌浪单独是没有共振条件，但是提供了对铰链的反相力矩。显然，该系统相当复杂，并且具有相当大的优化空间。例如浮动尺寸，铰接点，取力特性。考虑数组中的交互也是很重要。因此，在期望验证的有效通用数值模型的时候，宽带在不规则波中的发电通常也是重要的，但是，在大部分是规则波中的发电也是重要的。使用规则波的分析也有益于基本理解由一个输入频率导致的系统响应和功率生成。这是在这里进行使用DIFFRACT代码来进行理解（Sun等人. 2015）为频域的多体动态分析。对于具有所有波/体相互作用的每个个体，包括所有六种运动模式。二阶强迫也是可用的，虽然这里没有使用。身体运动以多体联系。因此，这是一个用于分析复杂的波/体相互作用的强大工具。

首先，数值方法针对具有代表功率输出的近似线性阻尼器的常规波实验用来验证。然后进行一些优化，沿着中间体轴改变线性阻尼常数和铰接点位置; 身体尺寸在本研究中没有变化。最后，考虑上升到五个设备的首部。

1. 数值模型

2.1波能转换器的多体动力学模型

导出用于波浪能转换器中的多体动态模型，我们从多个浮体的运动方程开始，而不和被写成如下形式的任何机械连接（Sun等人.2012）

其中， 右侧表示与浮体和入射波几何有关的线性波激发力和力矩（水深d，波高h，波周期T和波入射角beta;所示.2）。未知数左侧包括多个刚性模块的所有复杂运动。这两个和是频率相关的复矢量，其包括6个Ntilde;对于由以下组成的系统组件Ntilde;机构。矩阵M是N体的刚体质量矩阵，而B和C是外部线性阻尼和刚度矩阵。矩阵代表静水压恢复系数。矩阵和是与由于自身运动（由自身的几何形状确定）的辐射力相关的附加的质量和辐射阻尼矩阵。在目前的分析中，激发力和力矩，和流体力学系数和 由计算机程序DIFFRACT基于线性势流理论进行评估。

等式（1）可以以矩阵形式写成：

为了考虑一个WEC的浮标（在这种情况下的铰链）之间的机械连接，可以推导出基于拉格朗日动力学的增加的运动方程（Shabana 2010）。拉格朗日乘子{lambda;}被引入以定义广义约束力并且运动方程被写为（Sun等人2012）

其中D是约束矩阵，定义一个WEC中浮动模块之间的运动连接。对于由平面铰链连接的两个浮体（仅允许相对俯仰运动），存在要定义的五个约束以及约束矩阵D的转置TDT具有以下形式（Sun等人2011）。

表格1

圆形底座配置的质量分布和惯性，原点在铰接点

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