Utafiti huu unachunguza jinsi kibadilishaji nishati ya mawimbi chenye bawaba, kilicho na miili miwili inayoelea kama salu, kinavyosogea chini ya mawimbi makali yaliyolengwa na katika hali zipi kinapata mkazo mkubwa zaidi wa kimuundo. Vibadilishaji nishati ya mawimbi ni mifumo ya nishati jadidifu inayolenga kuzalisha umeme kutokana na mwendo wa mawimbi juu ya uso wa bahari. Hata hivyo, haitoshi kutathmini mifumo hii kwa ufanisi wa kukamata nishati pekee. Katika mazingira ya baharini, mawimbi ya ghafla, makubwa na yasiyo ya kawaida yanaweza kuunda mwendo mkubwa sana, nguvu za bawaba na mizigo ya kamba za kufungia kwenye kifaa. Kwa hiyo, lengo la utafiti huu si uzalishaji wa nguvu kiasi hicho, bali uwezo wa kuendelea kuishi, yaani uwezo wa kulinda uadilifu wake wa kimuundo katika hali kali za bahari.

Katika utafiti, kibadilishaji nishati ya mawimbi cha aina ya salu mbili, chenye miili miwili inayoelea na kiunganishi cha bawaba kati yake, kiliundwa kwa njia ya nambari. Simuleringar ziliendeshwa kwa kutumia programu Siemens STAR-CCM+; mwendo wa uso huru uliwakilishwa kwa mbinu ya VOF, na mtikisiko kwa modeli ya SST k-ω. Modeli kwanza ilithibitishwa kwa data za majaribio ya kimwili, kisha chini ya hali za mawimbi makali yaliyolengwa, amplitude ya wimbi, masafa ya kilele na umbali kati ya salu mbili vilibadilishwa na kuchambuliwa kwa mpangilio.

Mojawapo ya matokeo muhimu zaidi ya utafiti ni kwamba masafa ya kilele ya 0,7 Hz huunda resonance iliyounganishwa ya miili mingi katika mfumo. Katika hali hii, majibu ya mwendo na nguvu za bawaba zilifikia viwango vya juu zaidi. Umbali kati ya salu mbili pia ni kigezo muhimu kwa uwezo wa kuendelea kuishi. Umbali wa 0,4 m ulizalisha jibu kubwa zaidi la pitch, yaani mtikisiko wa kuinama mbele-nyuma, ilhali umbali wa 0,3 m ulisababisha mzigo mkubwa zaidi wa bawaba. Katika umbali wa 0,2 m, mfumo ulisogea kwa usawaziko zaidi na kwa mizigo ya chini zaidi, lakini kwa sababu mwendo wa jamaa ulipungua, uwezo wa kukamata nishati ulipunguzwa. Katika umbali wa 0,6 m, uhusiano wa hidrodinamiki ulidhoofika na momenti tuli ya kupinda ikaongezeka.

Matokeo haya yanaonyesha kwamba katika mifumo ya nishati ya mawimbi ya aina ya salu mbili, mtazamo wa “mwendo zaidi humaanisha nishati zaidi” hautoshi peke yake. Kwa uzalishaji wa nishati, mwendo wa jamaa kati ya miili ya salu unahitajika; lakini mwendo huo wa jamaa unaweza kuunda mizigo muhimu kwenye mfumo wa bawaba na mfumo wa kufungia. Utafiti unaonyesha kwamba chini ya hali za mawimbi makali, nafasi ya salu, uimara wa bawaba na usanifu wa kamba za kufungia vinapaswa kutathminiwa pamoja.

Maelezo ya Kina

Tatizo la msingi la utafiti ni nini?

Nishati ya mawimbi ni chanzo kikubwa cha nishati jadidifu kinachopatikana kiasili katika bahari na maziwa makubwa. Vibadilishaji nishati ya mawimbi, yaani wave energy converters (WEC), vinalenga kubadilisha mwendo huu wa kimekanika kuwa nishati inayoweza kutumika. Lakini mazingira ya bahari si hali laini na ya kawaida ya maabara. Vifaa huzalisha nishati katika hali za kawaida za mawimbi, lakini chini ya mawimbi makubwa yanayotokea ghafla, vikundi vya mawimbi yaliyolengwa au hali kali za bahari, vinaweza kukabiliwa na mizigo mikubwa sana.

Tatizo la msingi la utafiti huu ni jinsi vibadilishaji nishati ya mawimbi vya aina ya salu mbili zenye bawaba vinaweza kuendelea kuishi chini ya hali za mawimbi makali. Katika vifaa vya aina hii, miili miwili ya salu huunganishwa kwa bawaba. Mawimbi yanapokuja, miili ya salu hufanya mwendo wa angulari kwa jamaa na kila mmoja. Mwendo huu wa jamaa ni wa thamani kwa uzalishaji wa nishati; kwa sababu mfumo wa kuchukua nguvu, yaani Power Take-Off (PTO), mara nyingi hutoa nishati kutoka katika mwendo huu wa jamaa. Hata hivyo, mwendo huo huo wa jamaa unaweza kuunda nguvu kubwa za kukata, momenti za kupinda na athari za uchovu kwenye kiunganishi cha bawaba.

Kwa hiyo kuna usawazishaji katika usanifu: miili inahitaji kusogea vya kutosha ili kifaa kizalishe nishati; lakini mwendo mwingi unaweza kuzidisha mzigo kwenye mfumo wa bawaba na kufungia. Utafiti huu unachunguza usawazishaji huo kwa njia ya nambari chini ya mawimbi makali.

Kwa nini tatizo hili ni muhimu?

Ili mifumo ya nishati ya mawimbi iweze kuenea, haitoshi iwe na ufanisi; lazima pia iwe imara vya kutosha kubaki baharini kwa muda mrefu. Matengenezo katika bahari wazi ni ghali na magumu. Kuvunjika kwa kiunganishi cha bawaba, kukatika kwa kamba ya kufungia au kuharibika kwa moja ya miili kwa sababu ya mwendo uliokithiri kunaweza kufanya kifaa kizima kisifanye kazi. Hii humaanisha hasara ya kiuchumi pamoja na hatari ya usalama.

Vibadilishaji nishati ya mawimbi vya aina ya raft vinaweza kuwa na faida katika kukamata nishati kwa sababu hutumia mwendo wa angulari kati ya miili. Lakini sifa hiyo hiyo ya usanifu inaweza kuwa sehemu dhaifu katika mawimbi makali. Hasa bawaba iko katikati ya uhamishaji wa nguvu kati ya miili miwili. Ikiwa bawaba itazidiwa mzigo, mfumo wote unakuwa hatarini. Kwa hiyo utafiti unajikita zaidi katika survivability, yaani uwezo wa kifaa kubaki kikifanya kazi bila kupoteza kazi yake katika hali kali, kuliko ufanisi wa kukamata nishati.

Kwa mfano wa kila siku, kibadilishaji nishati ya mawimbi cha aina ya salu mbili kinaweza kufikiriwa kama daraja lenye sehemu mbili au kiunganishi chenye mafsali kati ya mabehewa mawili. Unyumbufu kati ya sehemu hizo huruhusu mwendo; lakini sehemu ya kiunganishi ikibanwa kupita kiasi, mfumo wote unaweza kuvunjika. Chini ya mawimbi ya bahari, kiunganishi hiki hupokea mzigo tena na tena katika kila wimbi kubwa. Kwa hiyo kujua ni katika masafa gani, urefu gani wa wimbi na nafasi gani ya salu kiunganishi kinabanwa zaidi ni jambo la msingi kwa usanifu.

Pengo ambalo utafiti unajibu katika fasihi au matumizi

Sehemu kubwa ya tafiti kuhusu vibadilishaji nishati ya mawimbi hujikita katika kuongeza uwezo wa kukamata nishati. Huu ni mtazamo unaoeleweka; kwa sababu kifaa lazima kizalishe nishati ya kutosha ili kiwe na maana kiuchumi. Hata hivyo, utafiti huu unasisitiza kwamba kujikita katika kukamata nishati pekee ni pungufu. Katika mazingira halisi ya bahari, uwezo wa kifaa kustahimili mawimbi makali ni muhimu kwa kiwango kilekile.

Inaelezwa kuwa hasa katika mifumo ya nishati ya mawimbi ya aina ya raft, mizigo mikali kwenye kiunganishi cha bawaba na kamba za kufungia haijaeleweka vya kutosha. Baadhi ya tafiti zimeonyesha kwamba katika mawimbi makali, mizigo ya jumla ya mawimbi inaweza kupunguzwa kwa mikakati kama kuzamisha mwili unaoelea. Lakini katika mifumo ya salu mbili, suala muhimu si mzigo wa jumla unaopokelewa na miili tu, bali mzigo unaohamishwa kwenye kiunganishi cha bawaba kati ya miili hiyo.

Pengo ambalo utafiti huu unajaribu kujaza ni hili: chini ya mawimbi makali yaliyolengwa, heave yaani mwendo wa wima, pitch yaani mtikisiko wa mbele-nyuma, nguvu za bawaba na nguvu za kufungia za WEC ya aina ya salu mbili hubadilika vipi wakati amplitude ya wimbi, masafa ya kilele na umbali kati ya salu mbili vinabadilishwa? Jibu la swali hili hutoa taarifa ya moja kwa moja ya kihandisi kwa usanifu unaolenga uwezo wa kuendelea kuishi.

Wimbi kali lililolengwa maana yake nini?

Katika utafiti, mawimbi yaliyolengwa yalitumiwa kuwakilisha matukio ya mawimbi makali. Wimbi lililolengwa hupatikana kwa kuunganisha vipengele vingi vya mawimbi vyenye masafa tofauti ili viunde kilele katika awamu moja katika muda fulani na mahali fulani. Mbinu hii husaidia kuwakilisha tukio kubwa la wimbi linaloweza kuwa nadra katika bahari halisi ndani ya mfululizo mfupi na unaodhibitiwa wa muda.

Faida ya mtazamo huu ni kwamba athari ya wimbi kali inaweza kuzalishwa kwa njia ya nambari au majaribio bila kulazimika kusubiri tukio hilo litokee. Badala ya kusubiri wimbi kubwa litokee lini katika hali ya bahari isiyo ya kawaida na yenye nasibu, nadharia ya wimbi lililolengwa huunda kilele kikubwa cha wimbi katika mahali palipopangwa. Hivyo jibu la kifaa kwa senario zinazokibana zaidi linaweza kuchambuliwa.

Uso wa wimbi lililolengwa uliotumiwa katika utafiti umeonyeshwa kwa fomula hii:

\[
\eta(x,y,t)=\sum_{i=1}^{N_f}a_i\cos(k_i x\cos\theta+k_i y\sin\theta-\omega_i t+\varphi_i)
\]

Hapa \(\eta(x,y,t)\) huonyesha urefu wa uso wa bahari. \(x\) na \(y\) ni viwianishi vya nafasi ya mlalo. \(t\) ni muda. \(N_f\) huonyesha idadi ya vipengele vya masafa vilivyochaguliwa. \(a_i\) ni amplitude ya kipengele cha i cha wimbi. \(k_i\) ni namba ya wimbi. \(\theta\) ni mwelekeo wa uenezaji wa wimbi. \(\omega_i\) ni masafa ya angulari. \(\varphi_i\) ni pembe ya awamu.

Fomula hii hufikiria uso wa bahari si kama wimbi moja rahisi la sinusoidal, bali kama jumla ya mawimbi mengi madogo. Ikiwa awamu za vipengele hivi zimepangwa vizuri, vyote hutengeneza kilele kwa wakati mmoja katika sehemu fulani na wimbi kubwa lililolengwa hutokea. Katika utafiti, mtazamo huu ulitumiwa kuchunguza kwa udhibiti athari za mizigo ya mawimbi makali kwenye mfumo wa salu mbili.

Sharti la kulenga na vipengele vya mawimbi

Katika nadharia ya wimbi lililolengwa, vipengele vyote vya mawimbi vinapaswa kufika katika hali ya kilele katika muda wa kulenga na mahali pa kulenga vilivyowekwa. Katika utafiti, sharti hili lilitolewa hivi:

\[
\cos(k_i x_f\cos\theta+k_i y_f\sin\theta-\omega_i t_f+\varphi_i)=1
\]

Hapa \(x_f\) na \(y_f\) huonyesha mahali pa kulenga; \(t_f\) huonyesha muda wa kulenga. Thamani ya kosinusi kuwa 1 inaonyesha kwamba kipengele husika kiko katika awamu ya kilele. Kwa maana hiyo, vipengele vyote vinapofika kileleni kwa wakati mmoja, wimbi kubwa lililolengwa huundwa.

Jumla ya amplitude ya wimbi lililolengwa pia hufafanuliwa hivi:

\[
A_f=\sum_{i=1}^{N_f}a_i
\]

Hapa \(A_f\) ni amplitude lengwa ya wimbi lililolengwa. Amplitude ya kila kipengele huamuliwa kulingana na mgawanyo wa nishati ya spektra:

\[
a_i=A_f S_a(f_i)\,df
\]

Hapa \(S_a(f_i)\) ni kazi ya msongamano wa nishati ya wimbi lililolengwa. Kazi hii huamua sehemu ambayo vipengele tofauti vya masafa vinachangia katika wimbi la jumla. Katika utafiti, mgawanyo huu ulifafanuliwa kupitia spektra ya Pierson-Moskowitz iliyoboreshwa.

Mbinu ya nambari iliyotumiwa: CFD na STAR-CCM+

Utafiti ulichunguza tabia ya WEC ya aina ya salu mbili chini ya wimbi kali kwa kutumia mienendo ya kiowevu ya kompyuta, yaani Computational Fluid Dynamics (CFD). CFD hutumika kutatua mwingiliano kati ya maji, hewa na miili inayoelea katika mazingira ya kompyuta. Hapa lengo si kupunguza tu utegemezi wa prototaipu za kimwili na majaribio ya tanki yenye gharama kubwa; pia ni kulinganisha kwa mpangilio hali tofauti za mawimbi na usanifu.

Katika simuleringar, miili miwili ya salu na kiunganishi cha bawaba vilichukuliwa kama miili migumu. Katika utafiti, ilidhaniwa kwamba mideformishaji ya elastiki ni midogo ikilinganishwa na mwendo wa mwili mgumu unaochunguzwa. Hili ni dhana muhimu; kwa sababu katika muundo halisi kunaweza kuwa na kunyumbuka na deformation ya nyenzo. Lakini kwa kuwa lengo la utafiti ni mwendo wa jumla wa miili, nguvu za bawaba na mizigo ya kufungia, mtazamo wa mwili mgumu ulitumika.

Milanyo ya mtiririko: uhifadhi wa wingi na momentum

Katika utafiti, milanyo ya uhifadhi wa wingi na uhifadhi wa momentum ilitatuliwa kwa uga wa mtiririko. Mlinganyo wa uhifadhi wa wingi ulitolewa hivi:

\[
\frac{\partial u_i}{\partial x_i}=0
\]

Hapa \(u_i\) ni sehemu ya kasi ya mtiririko katika mwelekeo wa i. \(x_i\) ni mwelekeo husika wa kiwianishi. Mlinganyo huu huonyesha uhifadhi wa wingi kwa mtiririko usiobanika. Kwa kusema kwa urahisi, ndani ya eneo la hesabu, maji au hewa havipotei vyenyewe wala havizaliwi kutoka bila kitu; mtiririko unaoingia na kutoka lazima usawazike.

Mlinganyo wa uhifadhi wa momentum katika utafiti ulitolewa katika umbo hili la jumla:

\[
\frac{\partial \rho u_i}{\partial t}+\frac{\partial \rho u_j u_i}{\partial x_j}-\frac{\partial}{\partial x_j}\left[\mu_{eff}\frac{\partial u_i}{\partial x_j}\right]=-\frac{\partial p^*}{\partial x_i}-g_i x_i\frac{\partial \rho}{\partial x_i}+\sigma\kappa\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}
\]

Hapa \(\rho\) ni msongamano wa kiowevu; \(t\) ni muda; \(\mu_{eff}\) ni viskoziti dinamiki fanisi; \(p^*\) ni shinikizo dinamiki lililorekebishwa nje ya shinikizo la hidrostatiki; \(g_i\) ni sehemu husika ya kuongeza kasi kwa mvuto; \(\sigma\) ni mvutano wa uso; \(\kappa\) ni mkunjo wa mpaka wa uso; \(\alpha\) ni uwiano wa ujazo wa maji katika mbinu ya VOF.

Mlinganyo huu unajumuisha mizani ya msingi ya kimwili inayotawala mwendo wa maji na hewa: kuongeza kasi kwa kiowevu, athari za mtikisiko na viskoziti, mabadiliko ya shinikizo, mvuto na mvutano wa uso katika mpaka wa maji-hewa. Katika miili inayoelea kama kibadilishaji nishati ya mawimbi, mizani hii huunda msingi wa hesabu unaoamua mwili utapanda na kushuka kiasi gani, utainama kiasi gani na utapokea nguvu kiasi gani katika kila wakati.

Kufuatilia uso huru: mbinu ya VOF

Mojawapo ya masuala muhimu katika simuleringar za mawimbi ya bahari ni kukamata kwa usahihi mpaka wa maji-hewa. Katika utafiti, mbinu ya VOF, yaani Volume of Fluid, ilitumika kwa hilo. Katika mbinu ya VOF, uwiano wa ujazo wa maji katika kila seli huonyeshwa kwa \(\alpha\). Ikiwa \(\alpha=1\), seli imejaa maji kabisa. Ikiwa \(\alpha=0\), seli ni hewa kabisa. Ikiwa \(\alpha\) iko kati ya 0 na 1, seli iko kwenye mpaka wa maji-hewa.

Mabadiliko ya uwiano wa ujazo kwa muda na nafasi yalifafanuliwa kwa mlinganyo huu:

\[
\frac{\partial \alpha}{\partial t}+\frac{\partial u_i\alpha}{\partial x_i}+\frac{\partial u_{c,i}\alpha(1-\alpha)}{\partial x_i}=0
\]

Hapa \(\alpha\) ni uwiano wa ujazo wa maji. \(u_i\) ni sehemu ya kasi ya mtiririko. \(u_{c,i}\) ni kasi bandia ya ukandamizaji inayotumiwa kuweka mpaka uwe mkali zaidi. Mlinganyo huu huhakikisha kwamba mpaka wa maji-hewa unasafirishwa pamoja na mtiririko na unadumishwa bila kusambaa sana kwa njia ya nambari.

Msongamano wa mchanganyiko na viskoziti fanisi huhesabiwa hivi:

\[
\rho=\alpha\rho_{water}+(1-\alpha)\rho_{air}
\]

\[
\mu_{eff}=\alpha\mu_{water}+(1-\alpha)\mu_{air}+\rho\nu_t
\]

Hapa \(\rho_{water}\) na \(\rho_{air}\) ni misongamano ya maji na hewa. \(\mu_{water}\) na \(\mu_{air}\) ni viskoziti dinamiki za maji na hewa. \(\nu_t\) ni viskoziti ya eddy ya mtikisiko. Semi hizi huwezesha kubainisha sifa za kimwili kulingana na kama seli ya hesabu imejaa maji, imejaa hewa au ni mchanganyiko wa viwili hivyo.

Urefu wa uso huru unapatikanaje?

Katika utafiti, urefu wa uso huru ulihesabiwa kwa kuunganisha uwiano wa ujazo wa maji katika mwelekeo wa wima:

\[
z_{water\,level}=\sum_{i=0}^{n-1}\alpha_i(z_{i+1}-z_i)
\]

Hapa \(z_{water\,level}\) ni urefu wa kiwango cha maji kilichohesabiwa. \(\alpha_i\) ni uwiano wa ujazo wa maji katika seli ya i ya wima. \(z_i\) na \(z_{i+1}\) ni viwianishi vya wima vya nyuso za seli. Hesabu hii hutumika kufuatilia jinsi kilele na bonde la wimbi vinavyobadilika kwa muda kwa njia ya nambari.

Modeli ya mtikisiko: kwa nini SST k-ω ilichaguliwa?

Katika mwingiliano wa wimbi na muundo, karibu na miili inayoelea kunaweza kuonekana kutengana kwa mtiririko, kuundwa kwa vimbunga, upunguzaji wa viskoziti na athari za uso huru. Mbinu kama DNS au LES zinaweza kutumiwa kutatua miundo yote ya mtikisiko moja kwa moja; lakini mbinu hizi huleta gharama kubwa sana ya hesabu katika matatizo ya muda mrefu na ya pande tatu ya wimbi-muundo. Kwa hiyo utafiti ulitumia mtazamo wa RANS na modeli ya mtikisiko ya SST k-ω.

Modeli ya SST k-ω huunganisha faida za mtazamo wa k-ω karibu na ukuta na faida za mtazamo wa k-ε katika mtiririko huru wa kukata. Kwa hiyo hutoa usawazishaji wa vitendo katika kuhesabu mtiririko uliotengana, athari za vimbunga na upunguzaji wa viskoziti karibu na miili inayoelea inayosogea. Katika utafiti, milanyo ya usafirishaji ya nishati kinetiki ya mtikisiko \(k\) na kiwango mahususi cha usambazaji \(\omega\) zilitolewa; na ilielezwa kwamba modeli hutoa usawazishaji unaofaa kati ya usahihi wa nambari na ufanisi wa hesabu.

Mfumo dinamiki wa miili mingi: salu mbili, bawaba moja

Kifaa katika utafiti kina salu mbili zinazoelea na kiunganishi cha bawaba kati yake. Kwa upande wa hesabu, hili lilishughulikiwa kama mfumo dinamiki wa miili migumu mitatu: salu ya mbele, salu ya nyuma na bati la kiunganishi. Viunganishi kati ya miili vilifafanuliwa kwa vikwazo vya mafsali yanayozunguka. Vikwazo hivi huamua ni miendo gani miili inaweza kufanya kwa jamaa na kila mmoja na ni miendo gani inayozuiwa.

Mlinganyo wa jumla wa matriki wa mfumo huu wa miili mingi wenye vikwazo ulitolewa hivi:

\[
\mathbf{M}c=\mathbf{F}_{ef}+\mathbf{F}_{cf}
\]

Hapa \(\mathbf{M}\) ni matriki ya blok-diagonal inayoundwa na matriki za inershia za miili migumu mitatu. \(c\) ni vekta inayowakilisha viwianishi vya mfumo. \(\mathbf{F}_{ef}\) ni vekta ya nguvu za nje; inajumuisha nguvu za mawimbi, mvuto, nguvu ya kuelea na athari zinazofanana. \(\mathbf{F}_{cf}\) ni vekta ya nguvu za vikwazo; inawakilisha nguvu zinazohamishwa kati ya miili na vikwazo vya bawaba na kiunganishi.

Mlinganyo huu unaonyesha kwamba mwendo wa mfumo si mwendo wa salu moja pekee. Salu ya mbele, salu ya nyuma, bawaba na kamba za kufungia hufanya kazi pamoja kama mfumo mmoja. Mwendo katika mwili mmoja huhamishwa kupitia bawaba kwenda mwili mwingine na mfumo wa kufungia. Kwa hiyo chini ya mawimbi makali, kuongezeka kwa mwendo katika sehemu moja kunaweza kubadilisha uhamishaji wa mzigo katika mfumo mzima.

Tanki la mawimbi la nambari na uthibitishaji wa majaribio

Modeli ya nambari iliyotumiwa katika utafiti ilithibitishwa kwa majaribio ya kimwili yaliyofanywa hapo awali. Majaribio yalifanywa katika tanki la kuvuta la Zhejiang Ocean University. Tanki lina urefu wa 130 m, upana wa 6 m na kina cha maji kinachoweza kurekebishwa hadi 4 m. Mfumo wa kuzalisha mawimbi unaweza kuunda mawimbi katika masafa ya 0,1–2,0 Hz. Mwisho wa tanki una mfumo wa kupunguza mawimbi ili kupunguza uakisi wa mawimbi.

Katika jaribio la kimwili, miendo ya miili inayoelea ilipimwa kwa kamera za kukamata mwendo kwa njia ya optiki. Alama za kuakisi infrared ziliwekwa kwenye miili ya salu; kamera zilifuatilia mwendo wa alama hizi na kupata data ya mwendo wa nyuzi sita za uhuru. Kipima urefu wa wimbi kilikusanya data kwa masafa ya sampuli ya 50 Hz, kamera za kukamata mwendo kwa 120 Hz na vihisi vya mvutano kwa 100 Hz.

Tanki la mawimbi la nambari liliwekwa likiwa na urefu wa 28 m na kina cha maji cha 3 m. Kwenye upande wa kuingia na kutoka wa tanki kuna maeneo ya kulazimisha mawimbi yenye urefu wa 7 m. Eneo la kuingia lilitumika kuzalisha wimbi lililolengwa, na eneo la kutoka lilitumika kupunguza mawimbi yanayotoka na kupunguza uakisi.

Kielelezo 1, 2, 3, 4 ve 5 zinaeleza nini?

Kielelezo cha kwanza katika utafiti kinaonyesha mfumo wa viwianishi vya hesabu uliotumiwa kwa miili miwili inayoelea. Mfumo wa viwianishi wa kimataifa umefafanuliwa katika kiwango cha maji tulivu, na mifumo miwili ya viwianishi ya ndani imeunganishwa na vituo vya uzito vya salu ya mbele na ya nyuma. Mpangilio huu ni muhimu ili kupima mwendo wa kila salu na mwendo wa jamaa kati ya salu mbili.

Katika vielelezo vinavyoonyesha mpangilio wa majaribio, modeli ya salu mbili, bawaba, mfumo wa kufungia, jenereta ya mawimbi na muundo wa kupunguza mawimbi vinaonekana pamoja. Vielelezo hivi vinaonyesha kwamba mfumo si masanduku mawili tu yanayoelea kwa uhuru; bali ni modeli iliyowekwa ndani ya tanki kwa kamba za kufungia, iliyounganishwa kwa bawaba na ambayo mwendo wake unapimwa.

Katika kielelezo cha eneo la nambari, eneo la kuingia, eneo la kazi na maeneo ya kulazimisha mawimbi ya kutoka yanaonyeshwa. Mpangilio huu huhakikisha kwamba wimbi lililolengwa linafika kwenye mfumo wa salu katika sehemu iliyopangwa mapema. Katika kielelezo kinachoonyesha vipimo vya mwili, urefu tabia wa mwili mmoja unaoelea umetolewa kama 1,2 m, upana 0,6 m na urefu 0,3 m. Nafasi ya awali ya salu ni 0,3 m. Vipimo hivi huunda rejea kwa uchambuzi wa baadaye wa nafasi ya salu.

Katika kielelezo cha masharti ya mpaka, mipaka ya kuingia na kutoka imefafanuliwa kama velocity-inlet, mpaka wa juu kama pressure outlet, mpaka wa chini kama wall, mipaka ya upande kama symmetry plane na nyuso za miili kama no-slip wall. Masharti haya ya mpaka ni muhimu ili tanki la mawimbi la nambari lifanye kazi kwa njia inayodhibitiwa na yenye maana ya kimwili.

Kwa nini uhuru wa mesh na hatua ya muda ulifanywa?

Katika hesabu za CFD, matokeo ni nyeti kwa mwonekano wa mesh na hatua ya muda. Mesh iliyo mbovu sana haiwezi kukamata kilele cha wimbi vizuri; mesh iliyo laini sana huongeza gharama ya hesabu kupita kiasi. Katika utafiti, chaguo za mesh mbovu, ya kati na laini zililinganishwa. Kwa wimbi lililolengwa, amplitude lengwa \(A_f=0,32\,m\), masafa ya kilele \(f_p=0,4\,Hz\) na eneo la kulenga 14,8 m vilichaguliwa.

Ilibainika kwamba mesh mbovu ilikadiria kilele cha wimbi kuwa chini na kosa la awamu lilikuwa kubwa zaidi. Kati ya mesh ya kati na mesh laini, tofauti ya amplitude ya wimbi ilikuwa karibu kutoweka. Kwa kuwa kosa la mesh ya kati dhidi ya amplitude lengwa ya wimbi lililolengwa lilibaki ndani ya %1,5, mesh ya kati ilichaguliwa kwa simuleringar zilizofuata. Chaguo hili huweka usawazishaji wa vitendo kati ya usahihi na gharama ya hesabu.

Kwa hatua ya muda pia, chaguo za \(T_p/100\), \(T_p/1000\) na \(T_p/10000\) zililinganishwa. Matokeo yalionyesha kwamba hatua ya muda ya \(T_p/1000\) inatoa usahihi unaohitajika. Vipimo vya aina hii vya uhuru ni muhimu ili kuonyesha kwamba matokeo ya simuleringar si makosa ya nambari yanayotokana tu na mesh au hatua ya muda iliyochaguliwa.

Uthibitishaji wa modeli ulifanyikaje?

Modeli ya nambari ilithibitishwa kwa hatua mbili. Kwanza, jibu dinamiki la mwendo wa WEC ya salu mbili lililinganishwa na majaribio ya modeli ya kimwili. Kwa uthibitishaji, wimbi la kawaida lenye urefu wa 0,10 m na kipindi cha 1,67 s lilitumika. Mwendo wa pitch wa jamaa kati ya salu ya mbele na ya nyuma ulipolinganishwa, ilielezwa kwamba matokeo ya nambari yaliendana vizuri na vipimo vya majaribio kwa upande wa amplitude na awamu.

Uthibitishaji wa pili ulihusu modeli ya kuzalisha wimbi lililolengwa. Kwa hili, data za majaribio kutoka University of Plymouth COAST Laboratory zilitumiwa. Katika jaribio lililochaguliwa, wimbi lililolengwa liliundwa kwa superposition ya mstari ya vipengele 244 vya mawimbi kati ya 0,101563 Hz na 2 Hz. Mahali pa kulenga kinadharia palikuwa 14,8 m kutoka mpaka wa kuzalisha mawimbi. Urefu wa mawimbi wa nambari ulilinganishwa na data za majaribio katika sehemu zilizochaguliwa za vipima mawimbi, na upatanifu mzuri ulipatikana kwa amplitude ya kilele cha kulenga, urefu wa bonde na maendeleo ya awamu.

Uthibitishaji huu unaonyesha kwamba modeli inawakilisha kwa kiwango kinachofaa miendo ya salu mbili na uzalishaji wa wimbi lililolengwa. Hata hivyo, hii haimaanishi kwamba modeli ni sahihi kabisa katika kila hali ya bahari; inaonyesha tu kwamba inaungwa mkono na data za majaribio kwa hali zilizotumiwa katika utafiti.

Nini hutokea amplitude ya wimbi inapoongezeka?

Katika utafiti, kwanza athari ya amplitude ya wimbi ilichunguzwa. Katika hali za H1–H4, masafa ya kilele yaliwekwa thabiti kama \(f_p=0,4\,Hz\), na amplitude ya wimbi lililolengwa iliongezwa kutoka 0,20 m hadi 0,32 m. Kadiri amplitude ilivyoongezeka, miendo ya heave na pitch ya salu ya mbele na ya nyuma iliongezeka wazi.

Katika hali ya H1 yenye amplitude ndogo, miendo ya salu ni ya wastani zaidi. Katika hali ya H4 yenye amplitude ya juu zaidi, thamani za kilele za mwendo wa wima ziliongezeka na pembe za pitch zikakua wazi. Hii inaonyesha kwamba mawimbi yaliyolengwa yenye amplitude kubwa hutumia msisimko wa ghafla wenye nguvu zaidi kwenye miili ya salu.

Hoja maalumu iliyosisitizwa na utafiti ni kwamba katika hali ya amplitude ya juu zaidi, salu ya nyuma ilionyesha tabia ya kawaida ya mtikisiko unaopungua. Baada ya kilele cha wimbi kupita, salu ya nyuma ilifanya mitikisiko inayopungua karibu na nafasi ya usawa. Watafiti walieleza hili kwa kutengana kwa mtiririko kwenye kingo kali baada ya wimbi kupita, kuachia vimbunga na athari za kumbukumbu ya kiowevu. Katika hali hii, upunguzaji wa viskoziti huwa nguvu kuu katika tabia ya baada ya mwendo wa muda mfupi.

Kielelezo 11 na 12 zinaeleza nini?

Kielelezo 11 inaonyesha kontua za uga skala na miendo ya mfumo wa salu mbili katika nyakati tofauti kwa hali za H1–H4. Kadiri amplitude ya wimbi inavyoongezeka, inaonekana kwamba miili inainama zaidi na mfumo hufanya mwendo wa mwili mgumu unaofanana na deformation yenye nguvu zaidi wakati wimbi lililolengwa linapita.

Kielelezo 12 inatoa historia za muda za pitch kwa salu ya mbele na ya nyuma. Grafu zinaonyesha kwamba kadiri amplitude ya wimbi inavyoongezeka, amplitude ya pitch hukua takriban kwa mstari. Hata hivyo, katika hali ya H4, salu ya nyuma kufanya mtikisiko unaopungua baada ya wimbi kupita kunaonyesha kwamba mwendo una athari za viskoziti na zisizo za mstari ambazo haziwezi kuelezwa na nadharia ya mawimbi ya mstari pekee.

Kwa nini masafa ya kilele ni muhimu?

Katika utafiti, pili, masafa ya kilele cha wimbi yalichunguzwa. Mara hii amplitude ya wimbi lililolengwa iliwekwa thabiti kama \(A_f=0,32\,m\), na masafa ya kilele yakaongezwa kutoka 0,4 Hz hadi 0,8 Hz. Matokeo yalionyesha kwamba jibu la mwendo ni nyeti sana kwa masafa.

Katika hali za masafa ya chini, mwendo wa pitch ulikuwa wa kiwango cha kati. Katika hali ya H6 inayolingana na masafa ya kilele ya 0,7 Hz, jibu kali zaidi dinamiki lilitokea. Jibu la juu zaidi la pitch la salu ya mbele na ya nyuma lilifikia takriban kiwango cha 15°. Hii inaashiria kwamba 0,7 Hz iko karibu na sifa asilia dinamiki za mfumo na inaunda resonance iliyounganishwa ya miili mingi.

Katika hali ya 0,8 Hz, jibu la pitch lilidhoofika tena. Kwa sababu kipindi cha wimbi kinapopungua, mfumo huondoka kutoka kipindi chake asilia na kutoka nje ya eneo la resonance. Hii inaonyesha kwamba mzigo mkubwa zaidi haujitokezi kila mara katika wimbi lenye kipindi kifupi zaidi au masafa ya juu zaidi. Kilicho muhimu hasa ni jinsi masafa ya msisimko wa wimbi yanavyokaribia dinamiki asilia ya mfumo wa salu–bawaba–kufungia.

Kielelezo 13 na 14 zinaeleza nini?

Kielelezo 13 inaonyesha kontua za mwendo wa mfumo wa salu chini ya masafa tofauti ya kilele katika hali za H5–H7. Katika hali ya H6, inaonekana kwamba miili inafanya mwendo wa pitch ulio wazi zaidi na wenye nguvu zaidi. Kielelezo hiki kinaonyesha kwamba hali inayofanana na resonance si thamani ya grafu ya nambari tu, bali pia inaonekana katika namna ya kimwili ya mwendo wa mfumo.

Kielelezo 14 inatoa historia za muda za pitch kwa salu ya mbele na ya nyuma. Katika hali ya H6, amplitudes za mtikisiko zinafikia kiwango cha juu zaidi. Utafiti unatafsiri hali hii kama msisimko ulio karibu na masafa asilia ya kimataifa ya mfumo wote, yaani salu, bawaba, PTO na kamba za kufungia. Katika hali hii, mwendo wa miili, dinamiki ya bawaba na athari za kamba za kufungia hujilimbikiza katika awamu na kukuza jibu.

Zaidi ya hayo, ilielezwa kwamba masafa ya kilele yanapoongezeka, wakati wa kufika kwa nishati ya kilele cha wimbi kwenye sehemu ya kulenga huchelewa. Hii ni matokeo ya moja kwa moja ya dispersion ya mawimbi ya maji ya kina. Vikundi vya mawimbi vilivyo na uzito mkubwa wa masafa ya juu vina kasi tofauti ya kundi; kwa hiyo kuungana kwa wakati mmoja kwa vipengele vya wimbi katika sehemu ya kulenga kunahitaji mpangilio makini wa awamu. Uwezo wa modeli kukamata tabia hii unaunga mkono kwamba inawakilisha fizikia ya wimbi lililolengwa kwa usahihi.

Nguvu za bawaba na kufungia hubadilikaje?

Matokeo muhimu zaidi ya kihandisi ya utafiti yanahusu nguvu za bawaba na nguvu za kufungia. Kadiri amplitude ya wimbi ilivyoongezeka, mizigo ilikua kwa namna isiyo ya mstari. Nguvu ya kilele ya bawaba katika hali ya H4 ilikuwa takriban mara 1,7 ya hali ya H1. Katika hali ya H6, nguvu ya bawaba ilifikia takriban mara 2,5 ya H1. Matokeo haya yanaonyesha kwamba mizigo hukua si kwa urefu wa wimbi pekee, bali pia kwa athari za masafa na resonance.

Katika utafiti, mizigo ilifanywa isiyo na vipimo kwa kutumia \(\rho\), \(g\) na \(L\). Uondoshaji wa vipimo wa aina hii hurahisisha kulinganisha mifumo ya mizani tofauti. Umbo la jumla la nguvu isiyo na vipimo linaweza kufikiriwa kwa mantiki hii:

\[
F^*=\frac{F}{\rho g L^3}
\]

Hapa \(F^*\) ni nguvu isiyo na vipimo. \(F\) ni nguvu halisi. \(\rho\) ni msongamano wa maji. \(g\) ni kuongeza kasi kwa mvuto. \(L\) ni urefu tabia. Usemi huu husaidia kulinganisha nguvu na skeli ya hidrostatiki.

Hali yenye nguvu ya juu zaidi ya bawaba ni H6. Hii ni hali ileile ambayo jibu kubwa zaidi la mwendo lilionekana. Kulingana na utafiti, nguvu ya bawaba haitokani na mwendo wa salu moja tu, bali na mwingiliano mkali kati ya nguvu za inershia za salu ya mbele na ya nyuma. Katika hali ya resonance, mwendo wa salu mbili na moduli za mitikisiko ya eneo la bawaba huimarishana. Hivyo momenti za kupinda na nguvu za kukata zinazohamishwa kupitia bawaba huwa kubwa zaidi kuliko katika hali nyingine.

Kwa nini nguvu za kufungia za salu ya mbele na ya nyuma zinapaswa kutathminiwa tofauti?

Kamba za kufungia ni vipengele vinavyoshikilia kifaa katika eneo fulani na kuhamisha mizigo ya mawimbi kwenda ardhini au kwenye sehemu thabiti. Katika utafiti, nguvu za kufungia za salu ya mbele na ya nyuma zilichunguzwa tofauti. Matokeo yalionyesha kwamba nguvu ya juu zaidi ya kufungia haikutokea katika hali ileile kwa salu ya mbele na ya nyuma. Nguvu ya kufungia ya salu ya mbele ilifikia kiwango cha juu zaidi katika hali ya H6, ilhali nguvu ya kufungia ya salu ya nyuma ilikuwa kubwa zaidi katika hali ya H1.

Tofauti hii inaonyesha kwamba njia za uhamishaji wa mzigo hubadilika kulingana na masafa. Katika baadhi ya hali za mawimbi, mizigo dinamiki huhamishwa zaidi kupitia salu ya mbele kwenda kwenye kamba ya kufungia, ilhali katika hali nyingine salu ya nyuma na kamba ya kufungia ya nyuma zinaweza kuathiriwa zaidi. Kwa hiyo mfumo wa kufungia haupaswi kutathminiwa kwa thamani moja ya mzigo wa jumla. Kamba za mbele na za nyuma zinapaswa kuchunguzwa tofauti, na hali tofauti za mawimbi muhimu zinapaswa kuzingatiwa kwa kila moja.

Kielelezo 15 inaeleza nini?

Kielelezo 15 inalinganisha nguvu za bawaba, nguvu za kufungia za mbele, nguvu za kufungia za nyuma na sehemu za nguvu za mawimbi katika mielekeo ya X, Y, Z kwa hali za H1–H7. Grafu zinaonyesha kwamba katika hali ya H6 nguvu ya bawaba inafikia thamani ya juu zaidi kwa uwazi. Nguvu ya kufungia ya mbele pia hufikia kilele katika H6. Nguvu ya kufungia ya nyuma ina tabia tofauti na inaweza kuchukua thamani kubwa katika hali za masafa ya chini.

Sehemu za nguvu za mawimbi katika mielekeo ya X, Y na Z zinapolinganishwa, inaonekana kwamba nguvu katika mwelekeo wa Z ndiyo kuu. Hii inaelezwa kwa kuongezeka kwa ghafla kwa nguvu ya kuelea juu ya mwili unaoelea wakati uso wa wimbi unapoinuka. Nguvu katika mielekeo ya X na Y zinahusiana zaidi na diffraction na viskoz drag, na hubaki ndogo zaidi. Nguvu ya mwelekeo wa Y kuwa karibu na sifuri inathibitisha ulinganifu wa pembeni wa modeli na mzigo wa wimbi.

Kwa nini umbali kati ya salu mbili uko moyoni mwa usanifu?

Uchambuzi mkuu wa mwisho wa utafiti ulijikita katika kubadilisha umbali kati ya salu mbili. Uchambuzi huu ulifanywa chini ya hali ya H6, iliyotambuliwa kama hali muhimu zaidi ya wimbi. Kwa sababu H6, ikiwa na amplitude ya wimbi lililolengwa ya 0,32 m na masafa ya kilele ya 0,7 Hz, ilizalisha miendo mikubwa zaidi na mizigo mikubwa zaidi ya bawaba. Nafasi ya salu ilibadilishwa kati ya 0,2 m na 0,6 m na hali za T1–T5 ziliundwa.

Nafasi ya salu huamua mwingiliano wa hidrodinamiki na awamu ya mwendo wa jamaa kati ya miili ya mbele na ya nyuma. Katika nafasi ndogo sana, miili huathiriana kwa nguvu na husogea karibu kama mwili mmoja mgumu kwa usawaziko. Hii inaweza kupunguza mizigo; lakini hupunguza mwendo wa angulari wa jamaa unaohitajika kwa uzalishaji wa nishati. Katika nafasi ya kati, miili hupata uhuru zaidi wa kusogea kwa kujitegemea na tofauti kubwa zaidi ya awamu hutokea kati yao. Hii inaweza kuongeza uwezo wa kukamata nishati; lakini pia inaweza kuongeza mizigo ya bawaba. Katika nafasi kubwa sana, uhusiano wa hidrodinamiki hudhoofika na momenti tuli ya kupinda juu ya kiunganishi inaweza kuongezeka.

Nafasi za 0,2 m, 0,3 m, 0,4 m na 0,6 m zinaonyesha nini?

Katika nafasi ya 0,2 m, athari kali ya kivuli cha hidrodinamiki hutokea. Salu mbili husogea kwa usawaziko wa juu. Katika hali hii amplitude ya pitch huwa ndogo zaidi na jibu dinamiki huwa laini zaidi. Kwa upande wa uwezo wa kuendelea kuishi, hii inaonekana kuwa na faida; kwa sababu mizigo ya bawaba na kufungia ni ya chini zaidi. Hata hivyo, kwa kuwa mwendo wa angulari wa jamaa ni mdogo, uwezo wa kutumia nishati ya mawimbi unaweza kupunguzwa.

Katika nafasi ya 0,4 m, miili ya salu hupata nafasi ya kutosha ya kusogea kwa kujitegemea. Chini ya msisimko wa mawimbi, tofauti ya awamu iliyo wazi hutokea na mfumo hujilinganisha vizuri zaidi na uso wa wimbi. Katika hali hii jibu kubwa zaidi la pitch lilionekana. Kwa kukamata nishati, hii inaweza kuwa chanya; kwa sababu mwendo wa jamaa huongezeka. Lakini mwendo mkubwa si salama kila wakati; unahitaji kutathminiwa kwa makini kwa upande wa mizigo ya kimuundo.

Katika nafasi ya 0,3 m, nguvu ya bawaba ilifikia kilele chake cha kabisa. Utafiti unaeleza kwamba hali hii inatokana na uunganishaji wa inershia wa miendo ya salu ya mbele na ya nyuma. Tofauti ya awamu ya mwendo na tofauti ya kuongeza kasi kati ya miili ya salu ziliunda momenti kubwa zaidi dinamiki ya kupinda na nguvu ya kukata kwenye bawaba. Kwa hiyo nafasi ya 0,3 m inapaswa kutathminiwa kama hali muhimu ya mzigo kwa usanifu wa uimara wa bawaba.

Katika nafasi ya 0,6 m, uhusiano wa hidrodinamiki hudhoofika. Jibu dinamiki hupungua ikilinganishwa na hali ya 0,4 m; lakini kuongezeka kwa umbali kati ya miili kunaweza kuunda momenti kubwa zaidi tuli ya kupinda kwenye kiunganishi. Hii ina maana kwamba nafasi kubwa pia si salama moja kwa moja.

Kielelezo 16, 17 na 18 zinaeleza nini?

Kielelezo 16 inaonyesha kontua za mwendo wa mfumo chini ya wimbi lililolengwa katika nafasi tofauti za salu. Inaweza kuonekana kwamba katika nafasi ndogo miili husogea pamoja zaidi, katika nafasi ya kati mwendo wa jamaa huongezeka, na katika nafasi kubwa uhusiano hudhoofika.

Kielelezo 17 inatoa historia za muda za pitch za salu ya mbele na ya nyuma kwa hali za T1–T5. Inaeleweka kwamba nafasi ya 0,4 m inazalisha jibu kubwa zaidi la pitch, ilhali nafasi ya 0,2 m inatoa jibu dogo zaidi na la kawaida zaidi. Grafu hii inaonyesha wazi usawazishaji kati ya kukamata nishati na usalama wa kimuundo.

Kielelezo 18 inalinganisha nguvu za bawaba na kufungia kwa hali za T1–T5. Nguvu ya bawaba hufikia kiwango cha juu zaidi katika nafasi ya 0,3 m. Nguvu za kufungia za mbele na za nyuma pia hufikia kilele katika hali ileile ya 0,3 m. Hii inaonyesha kwamba nafasi ya salu haibadilishi mwendo tu, bali pia hupanga upya njia ya uhamishaji wa mzigo. Katika usanifu, haitoshi kuangalia amplitude kubwa zaidi ya pitch pekee; nguvu za bawaba na kufungia zinapaswa kutathminiwa pamoja.

Nguvu za utafiti

• Kujumuisha uthibitishaji wa majaribio: Modeli ya nambari ililinganishwa na data za mwendo wa salu mbili pamoja na majaribio ya wimbi lililolengwa.
• Kujikita katika hali kali za mawimbi: Utafiti hauangalii tu ufanisi wa kazi ya kawaida, bali uwezo wa kifaa kuendelea kuishi.
• Kuchunguza tofauti nguvu za bawaba na kufungia: Hili ni la thamani kwa kuelewa vipengele muhimu vya kimuundo katika usanifu wa WEC ya aina ya raft.
• Kutathmini kwa mpangilio amplitude ya wimbi, masafa na nafasi ya salu: Athari za hali tofauti za usanifu na bahari zililinganishwa.
• Kuzingatia mwingiliano wa miili mingi: Salu ya mbele, salu ya nyuma, bawaba na mfumo wa kufungia vilitathminiwa pamoja.
• Kutoa matokeo ya vitendo ya usanifu: Ilionyeshwa kwamba masafa ya 0,7 Hz ni hali muhimu ya resonance, nafasi ya 0,3 m ni muhimu kwa mzigo, na nafasi ya 0,4 m ina nguvu kwa upande wa mwendo.

Mapungufu ya utafiti

• Hali ya mapitio ya wenzao: Utafiti ni preprint ambao haujapitia mapitio ya wenzao.
• Dhana ya mwili mgumu: Miili ya salu na kiunganishi vilichukuliwa kuwa vigumu. Katika muundo halisi, deformation za elastiki na mikazo ya nyenzo zinapaswa kuchunguzwa zaidi.
• Kikomo cha modeli ya nambari: Ingawa modeli ya CFD imethibitishwa kwa data za majaribio, haiwezi kusemwa kwamba inawakilisha kikamilifu hali zote halisi za bahari.
• Skeli na hali za shambani: Utafiti ulifanywa katika skeli ya modeli na muktadha wa tanki la mawimbi la nambari; hautoi uthibitishaji wa bahari wazi kwa skeli kamili.
• Maelezo ya PTO ni machache: Utafiti unajikita zaidi katika jibu la hidrodinamiki na uhamishaji wa mzigo wa kimuundo kuliko maelezo ya mfumo wa uzalishaji wa nishati.
• Uchambuzi wa uchovu na uharibifu wa muda mrefu ni mdogo: Ingawa nguvu za bawaba zimetambuliwa kuwa muhimu, uchovu wa nyenzo wa muda mrefu unahitaji uchambuzi wa kina wa kimuundo.

Utafiti unasema nini, na haussemi nini?

Utafiti unasema hili: Chini ya mawimbi makali yaliyolengwa, majibu ya mwendo na mizigo ya WEC ya aina ya salu mbili hutegemea kwa nguvu amplitude ya wimbi, masafa ya kilele na nafasi ya salu. Masafa ya kilele ya 0,7 Hz huunda resonance iliyounganishwa katika mfumo na kuzalisha miendo mikubwa zaidi na nguvu kubwa zaidi ya bawaba. Nafasi ya salu ya 0,3 m inaonekana muhimu kwa mizigo ya bawaba na kufungia, nafasi ya 0,4 m ndiyo inayotoa jibu kubwa zaidi la pitch, na nafasi ya 0,2 m inatoa usanidi thabiti zaidi na wa mzigo wa chini zaidi.

Utafiti hausimi hili: Hauithibitishi kwamba usanifu huu ni salama kabisa katika hali halisi za bahari wazi. Pia hausimi kwamba nafasi bora zaidi ya uzalishaji wa nishati ni bila shaka 0,4 m au kwamba usanifu salama zaidi ni kila wakati 0,2 m. Utafiti unaonyesha mielekeo ya kihandisi ndani ya vipimo vya modeli, hali za mawimbi, mbinu za nambari na senario za uthibitishaji zilizotumiwa. Kwa matumizi ya skeli kamili, uimara wa kimuundo, uchovu, tabia ya PTO, usalama wa nyenzo, matengenezo na uchambuzi wa kiuchumi vinahitajika zaidi.

Umuhimu wake kwa zamani, sasa na baadaye

Zamani, lengo muhimu zaidi kwa mifumo ya nishati ya mawimbi mara nyingi lilikuwa kukamata nishati zaidi. Mtazamo huu bado ni muhimu; lakini kwa kifaa kitakachofanya kazi baharini kwa muda mrefu, uimara ni wa msingi kwa kiwango kilekile. Mfumo unaovunjika chini ya wimbi kali au unaopoteza kamba ya kufungia hauwezi kuwa wa vitendo hata kama una ufanisi mkubwa.

Leo, mojawapo ya matatizo makuu ambayo wabunifu hukabili katika nishati jadidifu ya baharini ni usawazishaji kati ya uzalishaji wa nishati na uwezo wa kuendelea kuishi. Utafiti huu unaonyesha usawazishaji huo kwa kutumia WEC ya aina ya salu mbili. Mwendo wa jamaa kati ya miili unahitajika kwa nishati; lakini mwendo huo huo wa jamaa unaweza kuongeza mizigo ya bawaba na kufungia.

Baadaye, uchambuzi wa aina hii unaweza kuchangia katika kubuni vifaa vya nishati ya mawimbi vilivyo salama zaidi, imara zaidi na vya kiuchumi zaidi. Usanifu unaosaidiwa na CFD unaweza kupunguza idadi ya prototaipu za kimwili na kuruhusu hali hatari za mawimbi zijaribiwe mapema katika mazingira ya kompyuta. Hata hivyo, kwa matumizi ya mwisho baharini, uchambuzi wa nambari unahitaji kuungwa mkono na data za shambani za skeli kamili.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Usanifu wa kiufundi wa utafiti

Vipimo vya modeli na tanki la nambari

Hali za wimbi lililolengwa

Hali za nafasi ya salu

Fomula muhimu na maana zake

Matokeo makuu

• Kadiri amplitude ya wimbi ilivyoongezeka, heave, pitch, nguvu ya bawaba, nguvu ya kufungia na mizigo inayotokana na wimbi viliongezeka kwa namna isiyo ya mstari.
• Katika amplitude ya wimbi lililolengwa ya 0,32 m, salu ya nyuma ilionyesha mitikisiko ya pitch inayopungua baada ya kupita kwa wimbi. Hali hii ilihusishwa na upunguzaji wa viskoziti na athari za kumbukumbu ya kiowevu.
• Masafa ya kilele ya 0,7 Hz yaliunda resonance iliyounganishwa ya miili mingi katika mfumo na kuzalisha majibu makubwa zaidi ya mwendo pamoja na nguvu ya juu zaidi ya bawaba.
• Katika hali ya H6, nguvu ya bawaba ilifikia takriban mara 2,5 ya hali ya H1.
• Nguvu ya mawimbi katika mwelekeo wa Z ni kuu ikilinganishwa na mielekeo ya X na Y. Hii inaonyesha umuhimu wa ongezeko la ghafla la nguvu ya kuelea kutokana na kuinuka kwa uso wa wimbi.
• Mizigo ya juu zaidi ya kamba za kufungia za mbele na za nyuma inaweza isitokee katika hali ileile ya wimbi. Kwa hiyo mfumo wa kufungia unapaswa kutathminiwa tofauti kwa kila salu.
• Nafasi ya salu ya 0,2 m ilizalisha mwendo thabiti zaidi na wenye mizigo ya chini zaidi; lakini ilipunguza mwendo wa jamaa unaohitajika kwa kukamata nishati.
• Nafasi ya salu ya 0,4 m ilizalisha jibu kubwa zaidi la pitch na ilikuwa ya kuvutia kwa upande wa uwezo wa kukamata nishati.
• Nafasi ya salu ya 0,3 m ilizalisha mizigo mikubwa zaidi ya bawaba na kufungia, na kwa hiyo ilitambuliwa kama nafasi muhimu kwa usanifu wa kimuundo.
• Nafasi ya salu ya 0,6 m ilidhoofisha uunganishaji wa hidrodinamiki na kuongeza momenti tuli ya kupinda kwenye kiunganishi.

Mafunzo ya kihandisi yanayoweza kutolewa kwa usanifu

Noti ya Chanzo na Mbinu

Makala haya yametayarishwa kwa msingi wa utafiti wenye kichwa “Hydrodynamic response and survivability of a hinged dual-raft wave energy converter under focused extreme waves” ulioandaliwa na Peng Xu, Cheng Lu, Yuan Zhang, Changqing Jiang, Xuanyu Chen na Xiwu Gong. Utafiti ni makala ya preprint iliyopo kwenye SSRN. Kwa kuwa maandishi yanaeleza wazi “This preprint research paper has not been peer reviewed”, haujapitia mapitio ya wenzao.

Maudhui yametayarishwa kwa msingi wa mbinu ya nambari ya CFD iliyotolewa katika utafiti, simuleringar za STAR-CCM+, modeli ya uso huru ya VOF, mtazamo wa mtikisiko wa SST k-ω, modeli dinamiki ya miili mingi, fomula za kuzalisha wimbi lililolengwa, vipimo vya uhuru wa mesh na hatua ya muda, matokeo ya uthibitishaji wa majaribio, hali za mawimbi H1–H7 na uchambuzi wa nafasi ya salu T1–T5.

Katika maandishi haya, hakijaongezwa madai ambayo hayapo katika utafiti, kama mafanikio ya kibiashara, dhamana ya usalama katika bahari wazi kwa skeli kamili, faida ya uhakika ya uzalishaji wa nishati au hitimisho linaloweza kutumika moja kwa moja kwa vibadilishaji vyote vya nishati ya mawimbi vya aina ya raft. Utafiti unatoa mielekeo ya kihandisi kupitia simuleringar zilizothibitishwa za nambari katika skeli ya modeli. Kwa matumizi halisi, hali za bahari za skeli kamili, uchambuzi wa mikazo ya kimuundo, uimara dhidi ya uchovu, tabia ya PTO, usalama wa nyenzo, mkakati wa matengenezo na uhalisia wa kiuchumi vinapaswa kutathminiwa zaidi.

Kwa sababu ni preprint, matokeo yanapaswa kusomwa kwa tahadhari. Hata hivyo, utafiti unatoa ujumbe muhimu kwa usanifu unaolenga uwezo wa kuendelea kuishi katika vibadilishaji nishati ya mawimbi vya aina ya salu mbili: ni vigumu kufanya usanifu salama na wenye ufanisi bila kuchambua pamoja nafasi ya salu, masafa ya kilele, nguvu ya bawaba na mizigo ya kamba za kufungia.