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基于VOF模型的OWC气室波浪场数值分析
基于VOF模型的OWC气室波浪场数值分析
随着海洋环境问题的不断突出，海洋能成为一种可再生能源得到广泛关注。海洋渡轮，浮式风电站和海上油气平台等需求海水波浪能及汲取其能量作为动力或电能，而波浪能转换是其中的一种重要途径之一。海洋波浪能转换的关键技术是波浪浮体的设计和性能研究。针对波浪能的开发利用，空气与水相互作用对波浪浮体的性能影响成为研究的重点之一，即以气室波能转换装置为对象进行具体研究，针对具体可行方案，采用理论和数值模拟来推进气室波能转换装置的设计过程。
波浪能转换鼓型气室（OWC）是一种广泛应用于波浪能利用装置上的技术。其浮体内部是一个作用于气流的空气室，随着波浪运动而引起室内气流的压缩与膨胀，通过台阶将气流引入涡轮机，进而转换成电能。因此，研究波浪在鼓型气室内空气和水分界面上的运动规律和转化过程具有重要意义。
本文采用VOF（VolumeofFluid）模型分析OWC气室波浪场，通过数值模拟法求解Navier-Stokes方程和质量守恒方程，研究波浪在鼓型气室内分界面的运动规律和转化过程。本文首先介绍VOF模型原理，然后讨论波浪场的模拟方法和边界条件，最后给出了计算结果和分析。
VOF模型的原理基于流体中不同物质存在于不同部位的概念。在VOF模型中，把流体域内的流体界面用区分一个标量场φ（x,y,z,t）体积分数的形式体现出来。流体和气体间的分界线通过计算φ值为0.5时的精确位置来确定，波浪运动对空气和水界面的运动进行分别控制，然后通过交错网格法将它们的运动情况集成在单个VOF域的中。计算中，二维的VOF能够忽略掉稳态的空气流动，相对于其他模型不能够平行计算多层流问题，其精度、计算效率均得到了很大的提升。因此，本文探究连续场变化较小的二维情况下的OWC气室波浪场。
在进行数值模拟时，首先需要在计算域中建立统一的网格。建立有限体积法计算流体相和气体相的Navier-Stokes方程，以及用于描述物质界面运动的VOF方程。通过对初始和边界条件的确定，模拟波浪场的运动过程，通过计算结果，分析波浪场在鼓型气室中的分界面变化。
本文对波浪场的模拟部分共采取了三种边界条件。第一种边界条件为入口方向(y=0)上的速度边界，使流体平移;第二种边界条件为y=H上的无滑动表面边界，使波浪表面不能穿过液面而溢出室外;第三种边界条件为x=0,x=W的边界条件，其中x=0和x=W边界为气腔壁，所施加的边界条件为速度为零。
通过本文研究，得到对气室波浪场的驱动效应提出了正确有效的计算方法，得到了关键参数和易变参数的变化规律，同时为气室波能转换装置的研究提供了合理有效的数值计算基础。
综上所述，采用VOF模型对OWC气室波浪场进行数值模拟分析，能够为气室波能转换装置设计和性能研究提供理论和技术支撑。