Разработка волнозащитного электрогенерирующего комплекса для объектов прибрежного морского шельфа. Этап 1.

Проект направлен на разработку научно-технических решений по созданию плавучего волнозащитного электрогенерирующего комплекса (ПВЗЭК). Первый год выполнения проекта был посвящен теоретическому обоснованию применения ПВЗЭК для демпфирования ударных воздействий на расположенные на побережье и в открытом море объекты со стороны поверхностных и внутренних волн при одновременной генерации электрической энергии. На первом этапе проекта выполнены следующие работы: 1. Проведен анализ характеристик ветра и волнения на основе Российского морского регистра судоходства и веб-атласа доступной волновой и ветровой энергии морей России, где предоставлены данные о пространственном распределении энергии волн и ветра для различных морей. В качестве количественного критерия, позволяющего проводить зонирование прибрежной зоны по степени эффективности расположения в них ПВЗЭК, выбран поток волновой энергии. Вычислен среднегодовой потенциал волновой энергии указанных морей. На основе применения данного критерия выполнено зонирование прибрежной зоны. 2. Проведена адаптация и верификация численных гидродинамических моделей для расчетов, моделирующих работу лабораторного макета механической системы отбора волновой энергии под воздействием волновых полей. Рассмотрены и оценены 6 моделей турбулентности. Выполнена верификация моделей турбулентности, в результате которой была дана качественная оценка кинетике течения во всей расчетной области. В результате экспериментальных исследований были получены эпюры в сечениях и графики сходимости целей. Численное моделирование настоящей задачи выполнялось в программном пакете Ansys Fluent. По итогу верификации, установлено, что наилучшее соответствие с экспериментами обеспечивают SST k-w и стандартная k-ε модели. Показано, что для рассмотрения скоростных и динамических характеристик потока воды в модели ПВЗЭК следует использовать адаптированную 2D модель. Для анализа объемно-массовых характеристик необходимо использовать 3D модель с адаптацией сеточной модели, обеспечивающей сходимость модели. Выполнено исследование сеточной чувствительности для определения оптимального сеточного разрешения. 3. Разработана математическая модель колебательного процесса отбора энергии от волнового поля. Проведено моделирование взаимодействия макета механической части ПВЗЭК с неоднородным потоком, индуцированным волновыми движениями на поверхности жидкости. Построены алгоритмы взаимодействия волн с плавающими объектами на основе аналитических моделей, с применением линейной теории волн и качки, включающих составляющие колебательных движений жидкости и гидродинамических сил. Определена зависимость амплитуды колебаний и поглощения энергии волн от сопротивления системы. Осуществлен подбор параметров движения волнопродуктора, обеспечивающих желаемые параметры волнения. Изучен колебательный процесс комплексного отбора энергии от волнового поля посредством замыкания потока воды из накопительного резервуара ПЗВЭК через турбину электрогенератора на обратное течение по дну побережья, обеспечивающее дополнительный отбор энергии волны за счет трения. 4. Изучены области оптимальных значений параметров модели, отражающие размеры и форму элементов механической системы отбора мощности, влияние глубины погружения комплекса, расположение основных узлов крепления створок и линейных электрических преобразователей, обеспечивающих эффективность преобразования волновой энергии. Показаны преимущества применения конвертеров энергии волн посредством турбомашин. Выполнены численные расчёты при изменении формы фронтальной стенки, ширины резервуара и площади подводного канала. Исследована зависимость скорости потока в подводном канале от площади его сечения. Проведены численные оценки энергетических параметров волнового конвертера на протяжении нескольких периодов волновых возмущений. Определены продуктивные этапы, сопровождающиеся максимальной скоростью потока жидкости, максимумом динамического давления на выходе из коллектора и возникновения турбулентных завихрений в сторону берега. Исследованы условия возникновения обратного течения, увеличивающего скорость потока и динамическое давление. 5. Разработана имитационная модель для проведения численных оценок энергетических параметров и эффективности конверторов волновой энергии, позволяющих определить возможные уровни генерации электрической мощности. Проведен анализ влияния параметров конструкции на скорость водного потока и распределение полного давления в конструкции спойлеров-заборников в зависимости от расстояния регулировочного поплавка от якорной системы, угла наклона спойлеров, а также амплитуды и частоты волн на выходные показатели коллектора ПВЗЭК. Рассчитаны гидродинамический напор, полная механическая энергия, мощность. Найдены оптимальные геометрические параметры регулировочного поплавка и угла наклона спойлеров ПВЗЭК, при которых значения скорости потока воды и динамического давления достигают своих максимальных значений. Определены основные этапы взаимодействия волновых возмущений с конструкцией ПВЗЭК. Построены и проанализированы эпюры скорости потока, давления, траектории потока и объемного расхода. 6. Разработаны имитационные математическая и компьютерная модели электрического генератора ПВЗЭК, работающего в условиях нестационарности момента и частоты вращения. Произведены расчеты мгновенной полной, активной и реактивной мощностей, выделяемых на нагрузке. Определены законы изменения мгновенных и действующих значений напряжений, токов, активной, реактивной и полной мощностей нагрузки, электромагнитного момента СГПМ при различных режимах работы волнопродуктора и соответствующих параметрах морской волны. 7. Разработана ЭКД на электрическую систему ПВЗЭК. В структуру электрической части ПВЗЭК входят модули электрического генератора, преобразователя напряжения, аккумуляторной батареи и инвертора. В отчетном году получены следующие научные результаты: 1. Математическая модель колебательного процесса отбора энергии от волнового поля. Модель колебательного процесса включает полнонелинейную систему уравнений гидродинамики Навье-Стокса для различных режимов волнения, условия подвижной части волнопродукта, с заданием начальных условий положения волной поверхности, внешнего давление, положение и скорость волнопродукта, учитывая трансформацию волн при их приближении к береговой черте (высоты взброса волны от угла скоса) и циркуляцию воды в береговой черте, уравнения качки плавающего объекта по разным степеням свободы. Проведено моделирование взаимодействия макета механической части ПВЗЭК с неоднородным потоком, индуцированным волновыми движениями на поверхности жидкости. Выявлены характерные особенности пространственного распределения поля внутренних волн. 2. Имитационная модель для проведения численных оценок энергетических параметров и эффективности конверторов волновой энергии. Предложенная конструкция преобразователя энергии волны с трубопроводом позволяет реализовать турбину в насадке в виде рабочего колеса (импеллера, крыльчатки, вертушки), размещённого в цилиндрическом крыле. Установлено, что значение скорости потока, окружной скорости, полного и динамического давления различаются в зависимости от частоты и амплитуды волнового профиля. С увеличением глубины установки турбины давление повышается. Эти оценки позволяют определить возможные уровни генерации электрической мощности. 3. Имитационные математическая и компьютерная модели электрического генератора ПВЗЭК, работающего в условиях не стационарности момента и частоты вращения. Разработана функциональная схема имитационных моделей электромагнитной части СГПМ в составе ПВЗЭК с основными блоками моделей СГПМ, преобразователей координат и трехфазной нагрузки. Определены законы изменения мгновенных и действующих значений напряжений, токов, активной, реактивной и полной мощностей нагрузки, электромагнитного момента СГПМ при различных режимах работы волнопродуктора.