(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111410947.6 (22)申请日 2021.11.19 (71)申请人 中国海洋大学 地址 266100 山东省青岛市崂山区松岭路 238号 (72)发明人 刘臻　许传礼　史宏达　黎明　 金吉元　 (74)专利代理 机构 青岛博雅知识产权代理事务 所(普通合伙) 37317 代理人 封代臣 (51)Int.Cl. G06F 30/28(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G01M 10/00(2006.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于CFD 模拟的振荡水柱装置全 过程模 型及其效率预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于CFD模拟的振荡水柱 装置全过程模型及其效率预测方法， 该装置包括 数值波浪水槽和设置在数值波浪水槽一端的气 室， 气室的侧面与空气导管相通， 在空气导管内 设置动量源项区域， 该动量源项区域的宽度与待 评估装置中透平的叶片宽度一致。 本发明所公开 的全过程模型能够将空气透平的阻尼作用准确 引入到气室中， 充分考虑空气透平与气室之间的 动态耦合作用， 能够真实反映振 荡水柱的工作状 态， 对全过程效率做出合理预测。 权利要求书2页 说明书4页 附图3页 CN 114297949 A 2022.04.08 CN 114297949 A 1.一种基于CFD模拟的振荡水柱装置全过程模型， 其特征在于： 包括数值波浪水槽和设 置在数值波浪水槽一端的气室， 气室的侧 面与空气导管相通， 在空气导管内设置动量源项 区域， 该动量源项区域的宽度与待评估 装置中透平的叶片宽度一 致。 2.一种效率预测方法， 用于对权利要求1所述模型进行预测， 其特征在于， 包括如下步 骤： 步骤1， 利用软件建立振荡 水柱装置全过程模型的计算区域； 步骤2， 划分上述模型的网格， 水槽及气室部分采用六面体结构化网格， 网格的高度和 长度分别不超过入射波波高和波长的1/10和1/50， 并且在自由液面附近将网格沿着波高方 向加密， 网格加密高度为波高的1/20； 空气导管部 分利用四面体非结构化网格创建， 网格从 导管两端到中间存在从大到小的过渡； 步骤3， 对上述模型进行边界条件设置， 将水槽的造波边界设置为静止无滑移壁面， 将 水槽及气室的底部与边壁均设置为静止无滑移 壁面， 将水槽顶部及空气导管的出口设置为 压力出口边界， 气室与空气导管之间采用交界面连接， 设置完成后将模型导出为网格文件 格式； 步骤4， 将网格文件导入到软件中进行求解设置， 设置两相流追踪自由液面和计算水 深， 计算选用k ‑epsilon RNG湍流模型进行求解， 模型使用SIMPLE压力速度耦合求解方法， 动量方程和湍动能均采用二阶迎风格式， 利用用户自定义函数UDF控制水槽造波边界， 以产 生相应的入射波浪； 步骤5， 设置动量源项区域： 对于该流体区域， i方向的动量源项Si表示为： 其中， μ为动力粘度， α 为渗透率， v为流速， vi为i方向的流速， C2为惯性阻力系 数， ρ 为流 体密度； 同时， 该区域前后端的压降Δp为动量源项Si与流域厚度Δn的乘积， 即： Δp＝‑SiΔn (2) 通过该区域的流速与压降表示 为： Δp＝av2+bv (3) 对于一定转速的空气透平， a与b为已知参数， 联立式1 ‑3， 求得渗透率α和惯性阻力系数 C2， 在软件中通过porous zone自定义渗透率和惯性阻力系数的大小， 从而将空气透平的 阻尼作用准确引入到气室中； 步骤6， 设置相应的物理参数监测， 包括气室内自由液面高度、 气室内压强和空气导管 内流速， 并设置计算时间步长及计算时间， 开始计算， 计算结束后， 获得相应参数的时间序 列； 步骤7， 将步骤6中得到的结果带入以下 公式： 入射波浪功率为： PW＝0.5ρwgA2CgL； 空气功权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114297949 A 2率为： 透平的输出功率 为： 其中， ρw为水的密度， g为重力加速度， A为入射波振幅， Cg为波速， L为气室宽度， T为入射 波周期， p(t)为气室内压强， Q(t)为气室内流 量， T0(t)为透平扭矩， ω(t)为透平角速度； 气室的转换效率 η1为： η1＝PP/PW； 空气透平的转换效率 η2为： η2＝PT/PP； 装置的全过程能 量转换效率 η为： η＝ η1η2。 3.根据权利要求2所述效率预测方法， 其特征在于： 步骤1中使用的软件为ANSYS ‑ICEM 或Gambit。 4.根据权利要求2所述效率预测方法， 其特征在于： 步骤4和步骤5中使用的软件为 ANSYS‑Fluent。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114297949 A 3