Ин таҳқиқот рафтори як табдилдиҳандаи энергияи мавҷи навъи ду салро, ки аз ду ҷисми шинокунандаи монанд ба сал ва пайванди шарнирии байни онҳо иборат аст, дар зери мавҷҳои шадиди мутамарказ ва шароите, ки сохтор бештар таҳти фишор қарор мегирад, меомӯзад. Табдилдиҳандаҳои энергияи мавҷ системаҳои энергияи барқароршавандаанд, ки ҳадафашон аз ҳаракати мавҷҳои сатҳи баҳр истеҳсол кардани нерӯи барқ мебошад. Аммо чунин системаҳо набояд танҳо аз рӯи самаранокии гирифтани энергия баҳогузорӣ шаванд. Дар муҳити баҳрӣ мавҷҳои ногаҳонӣ, калон ва ғайриоддӣ метавонанд ҳаракатҳои хеле бузург, қувваҳои зиёди шарнир ва сарбории баланди хатҳои бастанро ба вуҷуд оранд. Аз ин рӯ, меҳвари таҳқиқот на истеҳсоли нерӯ, балки қобилияти зинда мондан-и дастгоҳ, яъне нигоҳ доштани якпорчагии сохторӣ дар шароити шадиди баҳрӣ мебошад.

Дар таҳқиқот табдилдиҳандаи энергияи мавҷи навъи ду сал, ки аз ду ҷисми шинокунанда ва пайванди шарнирӣ байни онҳо иборат аст, ба таври ададӣ моделсозӣ шудааст. Симулятсияҳо бо нармафзори Siemens STAR-CCM+ иҷро гардида, ҳаракати сатҳи озод бо усули VOF ва турбулентӣ бо модели SST k-ω муаррифӣ шудааст. Модел аввал бо маълумоти таҷрибавии физикӣ санҷида шуда, баъдан дар шароити мавҷҳои шадиди мутамарказ амплитудаи мавҷ, басомади қулла ва фосилаи байни ду сал тағйир дода шуда, таҳлили системавӣ анҷом дода шудааст.

Яке аз муҳимтарин натиҷаҳои таҳқиқот ин аст, ки басомади қуллаи 0,7 Hz дар система резонанси пайвастаи бисёрҷисмӣ ба вуҷуд меорад. Дар ин шароит ҳам ҷавобҳои ҳаракатӣ ва ҳам қувваҳои шарнир ба баландтарин сатҳ расидаанд. Фосилаи байни ду сал низ барои қобилияти зинда мондан омили муайянкунанда аст. Фосилаи 0,4 m бузургтарин ҷавоби pitch, яъне ҷунбиши пешу ақибро ба вуҷуд овардааст, дар ҳоле ки фосилаи 0,3 m баландтарин сарбории шарнирро ба вуҷуд овардааст. Дар фосилаи 0,2 m система ҳамоҳангтар ва бо сарбории камтар ҳаракат кардааст, аммо азбаски ҳаракати нисбӣ кам шудааст, иқтидори гирифтани энергия маҳдуд гардидааст. Дар фосилаи 0,6 m бошад, пайванди гидродинамикӣ заиф шуда ва моменти хамшавии статикӣ афзоиш ёфтааст.

Ин натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки дар системаҳои энергияи мавҷи навъи ду сал андешаи “ҳаракат бештар бошад, энергия ҳам бештар мешавад” ба танҳоӣ кофӣ нест. Барои истеҳсоли энергия ҳаракати нисбӣ байни ҷисмҳои сал зарур аст; вале ҳамин ҳаракати нисбӣ метавонад дар системаҳои шарнир ва бастан сарбориҳои муҳим ба вуҷуд орад. Таҳқиқот нишон медиҳад, ки дар шароити мавҷи шадид фосилаи салҳо, устувории шарнир ва тарҳи хатҳои бастан бояд якҷоя баҳогузорӣ шаванд.

Шарҳи Муфассал

Мушкилоти асосии таҳқиқот чист?

Энергияи мавҷ манбаи бузурги табиии энергияи барқароршаванда дар уқёнусҳо ва баҳрҳост. Табдилдиҳандаҳои энергияи мавҷ, яъне wave energy converters (WEC), ҳадаф доранд ин ҳаракати механикиро ба энергияи қобили истифода табдил диҳанд. Аммо муҳити баҳрӣ шароити мунтазам ва мулоими лабораторӣ нест. Дастгоҳҳо дар мавҷҳои муқаррарӣ энергия истеҳсол мекунанд, вале дар зери мавҷҳои ногаҳонӣ ва калон, гурӯҳҳои мавҷии мутамарказ ё ҳолатҳои шадиди баҳрӣ метавонанд ба сарбориҳои хеле баланд дучор шаванд.

Мушкилоти асосии ин таҳқиқот он аст, ки табдилдиҳандаҳои энергияи мавҷи навъи ду сал бо пайванди шарнирӣ дар шароити мавҷи шадид чӣ гуна зинда мемонанд. Дар ин гуна дастгоҳҳо ду ҷисми сал бо шарнир ба ҳам пайваст мешаванд. Ҳангоми расидани мавҷҳо салҳо нисбат ба ҳам ҳаракати кунҷӣ анҷом медиҳанд. Ин ҳаракати нисбӣ барои истеҳсоли энергия арзишманд аст, зеро системаи гирифтани нерӯ, яъне Power Take-Off (PTO), одатан энергияро аз ҳамин ҳаракати нисбӣ мегирад. Аммо ҳамон ҳаракати нисбӣ метавонад дар пайванди шарнирӣ қувваҳои баланди буришӣ, моментҳои хамшавӣ ва таъсири хасташавӣ ба вуҷуд орад.

Аз ин рӯ, дар тарҳ як мувозинат вуҷуд дорад: барои истеҳсоли энергия ҷисмҳо бояд ба қадри кофӣ ҳаракат кунанд; вале ҳаракати аз ҳад зиёд метавонад шарнир ва системаи бастанро сахт бор кунад. Ин таҳқиқот ҳамин мувозинатро дар зери мавҷҳои шадид ба таври ададӣ меомӯзад.

Чаро ин мушкилот муҳим аст?

Барои густариши системаҳои энергияи мавҷ танҳо самаранок будан кофӣ нест; онҳо бояд он қадар устувор бошанд, ки муддати дароз дар баҳр кор карда тавонанд. Нигоҳдорӣ дар баҳри кушод гарон ва мушкил аст. Шикастани пайванди шарнирӣ, канда шудани хати бастан ё осеби сохторӣ ба яке аз ҷисмҳо аз сабаби ҳаракати аз ҳад зиёд метавонад тамоми дастгоҳро аз кор барорад. Ин ҳам талафоти иқтисодӣ ва ҳам хавфи бехатариро ба вуҷуд меорад.

Табдилдиҳандаҳои энергияи мавҷи навъи сал аз ҳаракати кунҷии байни ҷисмҳо истифода мекунанд ва аз ин лиҳоз метавонанд дар гирифтани энергия бартарӣ дошта бошанд. Аммо ҳамин хусусияти тарҳ дар мавҷҳои шадид метавонад ба нуқтаи заиф табдил ёбад. Махсусан шарнир маркази интиқоли қувва байни ду ҷисм аст. Агар шарнир аз ҳад зиёд бор шавад, тамоми система ба хатар меафтад. Аз ин рӯ, таҳқиқот бештар ба survivability, яъне қобилияти дастгоҳ барои боқӣ мондан ва аз даст надодани вазифа дар шароити шадид, таваҷҷуҳ мекунад, на танҳо ба самаранокии гирифтани энергия.

Бо як ташбеҳи рӯзмарра, табдилдиҳандаи энергияи мавҷи навъи ду салро метавон ба пули аз ду қисм ё пайванди шарнирии байни ду вагон монанд кард. Чандирии байни қисмҳо ҳаракатро имконпазир мекунад; аммо агар нуқтаи пайвастшавӣ аз ҳад зиёд зери фишор бошад, тамоми система метавонад бишканад. Дар зери мавҷҳои баҳр ин пайванд дар ҳар мавҷи калон бор мегирад. Аз ин рӯ, донистани он ки пайванд дар кадом басомад, кадом баландии мавҷ ва кадом фосилаи байни салҳо бештар бор мешавад, барои тарҳ муҳим аст.

Холигие, ки таҳқиқот дар адабиёт ё амал пур мекунад

Қисми зиёди таҳқиқот оид ба табдилдиҳандаҳои энергияи мавҷ ба зиёд кардани қобилияти гирифтани энергия равона шудаанд. Ин фаҳмост, зеро барои иқтисодӣ будани дастгоҳ бояд энергия ба қадри кофӣ истеҳсол шавад. Аммо таҳқиқот таъкид мекунад, ки танҳо ба гирифтани энергия нигаронидан нопурра аст. Дар муҳити воқеии баҳр тобоварӣ ба мавҷҳои шадид ҳам ба ҳамон андоза муҳим мебошад.

Хусусан дар системаҳои энергияи мавҷи навъи сал, гуфта мешавад, ки сарбориҳои шадид ба пайванди шарнирӣ ва хатҳои бастан ҳанӯз пурра фаҳмида нашудаанд. Баъзе таҳқиқот нишон додаанд, ки бо стратегияҳое ба монанди ғӯтондани ҷисми шинокунанда зери мавҷҳои шадид сарбориҳои умумии мавҷиро кам кардан мумкин аст. Аммо дар системаҳои ду сал масъалаи асосӣ танҳо сарбории умумӣ ба ҷисмҳо нест, балки сарбориест, ки ба пайванди шарнирии байни онҳо интиқол меёбад.

Холигие, ки ин таҳқиқот мехоҳад пур кунад, чунин аст: Дар зери мавҷҳои шадиди мутамарказ heave, яъне ҳаракати амудӣ, pitch, яъне ҷунбиши пешу ақиб, қувваҳои шарнир ва қувваҳои бастани WEC-и навъи ду сал ҳангоми тағйир ёфтани амплитудаи мавҷ, басомади қулла ва фосилаи байни ду сал чӣ гуна рафтор мекунанд? Ҷавоби ин савол барои тарҳи мутамарказ ба қобилияти зинда мондан маълумоти бевоситаи муҳандисӣ медиҳад.

Мавҷи шадиди мутамарказ чӣ маъно дорад?

Дар таҳқиқот барои муаррифии рӯйдодҳои мавҷи шадид мавҷҳои мутамарказ истифода шудаанд. Мавҷи мутамарказ аз ҷамъ шудани бисёр ҷузъҳои мавҷии дорои басомадҳои гуногун ба вуҷуд меояд, ки ба тарзе танзим мешаванд, то дар вақти муайян ва макони муайян дар як фаза қулла ҳосил кунанд. Ин усул имкон медиҳад, ки рӯйдодҳои мавҷии калоне, ки дар баҳри воқеӣ кам рух медиҳанд, дар як силсилаи кӯтоҳ ва идорашавандаи вақтӣ муаррифӣ шаванд.

Бартарии ин равиш дар он аст, ки таъсири мавҷи шадидро бидуни интизор шудани рӯйдоди тасодуфӣ метавон ба таври ададӣ ё таҷрибавӣ ба вуҷуд овард. Ба ҷои он ки дар шароити номунтазами баҳр интизор шаванд, ки мавҷи калон кай пайдо мешавад, назарияи мавҷи мутамарказ дар нуқтаи муайян қуллаи калонро месозад. Бо ин роҳ, ҷавоби дастгоҳ ба сенарияҳои сахттарин таҳлил мешавад.

Сатҳи мавҷи мутамарказе, ки дар таҳқиқот истифода шудааст, бо формулаи зерин ифода мешавад:

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

Дар ин ҷо \(\eta(x,y,t)\) баландии сатҳи баҳрро ифода мекунад. \(x\) ва \(y\) координатаҳои уфуқии макон мебошанд. \(t\) вақт аст. \(N_f\) шумораи ҷузъҳои басомадии интихобшударо нишон медиҳад. \(a_i\) амплитудаи ҷузъи i-уми мавҷ мебошад. \(k_i\) адади мавҷ аст. \(\theta\) самти паҳншавии мавҷро нишон медиҳад. \(\omega_i\) басомади кунҷӣ ва \(\varphi_i\) кунҷи фаза мебошад.

Ин формула сатҳи баҳрро на ҳамчун як мавҷи оддии синусӣ, балки ҳамчун маҷмӯи бисёр мавҷҳои хурд мефаҳмад. Агар фазаҳои ин ҷузъҳо дуруст танзим карда шаванд, ҳама дар як нуқтаи муайян ҳамзамон қулла медиҳанд ва мавҷи бузурги мутамарказ пайдо мешавад. Дар таҳқиқот ин равиш барои омӯзиши идорашавандаи таъсири сарбории мавҷи шадид ба системаи ду сал истифода шудааст.

Шарти мутамарказшавӣ ва ҷузъҳои мавҷ

Дар назарияи мавҷи мутамарказ ҳамаи ҷузъҳои мавҷ бояд дар вақти муайяншуда ва макони мутамарказшавӣ ба ҳолати қулла расанд. Дар таҳқиқот ин шарт чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(x_f\) ва \(y_f\) макони мутамарказшавӣ ва \(t_f\) вақти мутамарказшавиро нишон медиҳанд. Баробар будани косинус ба 1 маънои онро дорад, ки ҷузъи дахлдор дар фазаи қулла аст. Яъне вақте ҳамаи ҷузъҳо ҳамзамон ба қулла мерасанд, мавҷи бузурги мутамарказ ба вуҷуд меояд.

Амплитудаи умумии мавҷи мутамарказ низ чунин таъриф шудааст:

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

Дар ин ҷо \(A_f\) амплитудаи ҳадафии мавҷи мутамарказ мебошад. Амплитудаи ҳар ҷузъ аз рӯи тақсимоти энергияи спектрӣ муайян мешавад:

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

Дар ин ҷо \(S_a(f_i)\) функсияи зичии энергияи мавҷи мутамарказ аст. Ин функсия муайян мекунад, ки ҷузъҳои басомадии гуногун дар мавҷи умумӣ чӣ қадар саҳм доранд. Дар таҳқиқот ин тақсимот бо спектри такмилёфтаи Pierson-Moskowitz таъриф шудааст.

Усули ададии истифодашуда: CFD ва STAR-CCM+

Таҳқиқот рафтори WEC-и навъи ду салро зери мавҷи шадид бо динамикаи ҳисобии моеъ, яъне Computational Fluid Dynamics (CFD), меомӯзад. CFD барои ҳалли мутақобилаи об, ҳаво ва ҷисмҳои шинокунанда дар муҳити компютерӣ истифода мешавад. Ҳадаф на танҳо кам кардани вобастагӣ ба прототипҳои физикӣ ва озмоишҳои гарони ҳавзӣ, балки инчунин муқоисаи системавии шароити гуногуни мавҷ ва тарҳ мебошад.

Дар симулятсияҳо ду ҷисми сал ва пайванди шарнирӣ ҳамчун ҷисмҳои сахт баррасӣ шудаанд. Дар таҳқиқот фарз карда шудааст, ки деформатсияҳои чандирӣ нисбат ба ҳаракатҳои ҷисми сахт, ки мавриди омӯзишанд, ночизанд. Ин фарз муҳим аст, зеро дар сохтори воқеӣ хамшавӣ ва деформатсияи мавод вуҷуд дошта метавонад. Аммо азбаски диққати ин таҳқиқот ба ҳаракати умумии ҷисмҳо, қувваҳои шарнир ва сарбории бастан равона шудааст, равиши ҷисми сахт истифода шудааст.

Муодилаҳои ҷараён: ҳифзи масса ва импулс

Дар таҳқиқот барои майдони ҷараён муодилаҳои ҳифзи масса ва импулс ҳал шудаанд. Муодилаи ҳифзи масса чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(u_i\) ҷузъи суръати ҷараён дар самти i ва \(x_i\) самти координатии дахлдор мебошад. Ин муодила барои ҷараёни фишурданашаванда ҳифзи массаи моеъро ифода мекунад. Ба таври оддӣ, дар минтақаи ҳисобӣ об ё ҳаво худ аз худ нест намешавад ва аз ҳеҷ пайдо намешавад; воридшавӣ ва баромад бояд мувозинат дошта бошанд.

Муодилаи ҳифзи импулс дар таҳқиқот дар шакли умумии зерин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\rho\) зичии моеъ, \(t\) вақт, \(\mu_{eff}\) часпакии динамикии самаранок, \(p^*\) фишори динамикии тағйирдодашуда берун аз фишори гидростатикӣ, \(g_i\) ҷузъи мувофиқи шитоби ҷозиба, \(\sigma\) кашиши сатҳӣ, \(\kappa\) каҷии сарҳад ва \(\alpha\) ҳиссаи ҳаҷмии об дар усули VOF мебошад.

Ин муодила мувозинатҳои асосии физикиро, ки ҳаракати об ва ҳаворо муайян мекунанд, дар бар мегирад: шитоби моеъ, таъсири турбулентӣ ва часпакӣ, тағйироти фишор, ҷозиба ва кашиши сатҳӣ дар марзи обу ҳаво. Дар ҷисмҳои шинокунанда, аз ҷумла табдилдиҳандаи энергияи мавҷ, ҳамин мувозинат заминаи ҳисобиро ташкил медиҳад, ки муайян мекунад ҷисм дар ҳар лаҳза чӣ қадар боло ва поён меравад, чӣ қадар моил мешавад ва чӣ қадар қувва мегирад.

Пайгирии сатҳи озод: усули VOF

Яке аз масъалаҳои асосӣ дар симулятсияи мавҷҳои баҳр дуруст пайгирӣ кардани сарҳади обу ҳаво мебошад. Барои ин дар таҳқиқот усули VOF, яъне Volume of Fluid, истифода шудааст. Дар VOF ҳиссаи ҳаҷмии об дар ҳар ҳуҷайра бо \(\alpha\) нишон дода мешавад. Агар \(\alpha=1\) бошад, ҳуҷайра пурра аз об иборат аст. Агар \(\alpha=0\) бошад, ҳуҷайра пурра ҳавост. Агар \(\alpha\) байни 0 ва 1 бошад, ҳуҷайра дар сарҳади обу ҳаво ҷойгир аст.

Тағйири ҳиссаи ҳаҷм дар вақт ва фазо бо муодилаи зерин муайян шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\alpha\) ҳиссаи ҳаҷмии об, \(u_i\) ҷузъи суръати ҷараён ва \(u_{c,i}\) суръати фишурдани сунъӣ барои тез нигоҳ доштани сарҳад мебошад. Муодила имкон медиҳад, ки сарҳади обу ҳаво ҳамроҳи ҷараён ҳаракат карда, аз паҳншавии зиёди ададӣ ҳифз шавад.

Зичии омехта ва часпакии самаранок чунин ҳисоб карда мешаванд:

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

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

Дар ин ҷо \(\rho_{water}\) ва \(\rho_{air}\) зичии об ва ҳаво, \(\mu_{water}\) ва \(\mu_{air}\) часпакии динамикии об ва ҳаво ва \(\nu_t\) часпакии гирдбодии турбулентӣ мебошанд. Ин ифодаҳо имкон медиҳанд хусусиятҳои физикии як ҳуҷайраи ҳисобӣ вобаста ба он ки пурра об, пурра ҳаво ё омехтаи ҳарду аст, муайян шаванд.

Баландии сатҳи озод чӣ гуна ба даст оварда мешавад?

Дар таҳқиқот баландии сатҳи озод бо интеграли ҳиссаи ҳаҷмии об дар самти амудӣ ҳисоб шудааст:

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

Дар ин ҷо \(z_{water\,level}\) баландии ҳисобшудаи сатҳи об, \(\alpha_i\) ҳиссаи ҳаҷмии об дар ҳуҷайраи амудии i ва \(z_i\) ва \(z_{i+1}\) координатаҳои амудии сатҳҳои ҳуҷайра мебошанд. Ин ҳисоб барои пайгирии тағйири қулла ва пастии мавҷ бо мурури вақт истифода мешавад.

Модели турбулентӣ: чаро SST k-ω интихоб шудааст?

Дар мутақобилаи мавҷ ва сохтор дар атрофи ҷисмҳои шинокунанда ҷудошавии ҷараён, пайдоиши гирдбодҳо, хомӯшшавии часпакӣ ва таъсири сатҳи озод дида мешаванд. Барои ҳалли ҳамаи сохторҳои турбулентӣ мустақиман усулҳое мисли DNS ё LES истифода кардан мумкин аст, аммо онҳо барои масъалаҳои сеандозаи дарозмуддати мавҷ–сохтор хароҷоти ҳисоббарории хеле баланд доранд. Аз ин рӯ, таҳқиқот равиши RANS ва модели турбулентии SST k-ω-ро истифода кардааст.

Модели SST k-ω бартариҳои равиши k-ω дар наздикии деворро бо бартариҳои равиши k-ε дар ҷараёнҳои буришии озод якҷо мекунад. Аз ин сабаб, барои ҳисоб кардани ҷараёнҳои ҷудошуда, таъсири гирдбодҳо ва хомӯшшавии часпакӣ дар атрофи ҷисмҳои шинокунандаи ҳаракаткунанда тавозуни амалии хуб фароҳам меорад. Дар таҳқиқот барои энергияи кинетикии турбулентӣ \(k\) ва суръати махсуси парокандашавӣ \(\omega\) муодилаҳои интиқол дода шудаанд ва гуфта мешавад, ки модел байни дақиқии ададӣ ва самаранокии ҳисоббарорӣ мувозинати мувофиқ медиҳад.

Системаи динамикии бисёрҷисмӣ: ду сал, як шарнир

Дастгоҳи таҳқиқот аз ду сали шинокунанда ва пайванди шарнирӣ байни онҳо иборат аст. Аз нигоҳи ҳисоббарорӣ, ин ҳамчун системаи динамикии се ҷисми сахт баррасӣ шудааст: сали пеш, сали қафо ва лавҳаи пайвасткунанда. Пайвандҳои байни ҷисмҳо бо маҳдудиятҳои шарнирии гардишӣ муайян шудаанд. Ин маҳдудиятҳо муайян мекунанд, ки ҷисмҳо нисбат ба ҳам кадом ҳаракатҳоро карда метавонанд ва кадом ҳаракатҳо маҳдуданд.

Муодилаи умумии матритсавии ин системаи бисёрҷисмии маҳдудшуда чунин дода шудааст:

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

Дар ин ҷо \(\mathbf{M}\) матритсаи блок-диагоналӣ аз матритсаҳои инерсияи се ҷисми сахт мебошад. \(c\) вектори координатаҳои система аст. \(\mathbf{F}_{ef}\) вектори қувваҳои беруна мебошад ва қувваҳои мавҷӣ, ҷозиба, бардошт ва таъсирҳои монандро дар бар мегирад. \(\mathbf{F}_{cf}\) вектори қувваҳои маҳдудкунанда буда, қувваҳоеро ифода мекунад, ки шарнир ва маҳдудиятҳои пайвасткунанда байни ҷисмҳо интиқол медиҳанд.

Ин муодила нишон медиҳад, ки ҳаракати система танҳо аз ҳаракати як сал иборат нест. Сали пеш, сали қафо, шарнир ва хатҳои бастан ҳамчун як система якҷо кор мекунанд. Ҳаракати як ҷисм тавассути шарнир ба ҷисми дигар ва системаи бастан интиқол меёбад. Аз ин рӯ, дар шароити мавҷи шадид афзоиши маҳаллии ҳаракат метавонад роҳи интиқоли сарбориро дар тамоми система тағйир диҳад.

Ҳавзи ададии мавҷ ва санҷиши таҷрибавӣ

Модели ададие, ки дар таҳқиқот истифода шудааст, бо озмоишҳои модели физикии қаблӣ санҷида шудааст. Озмоишҳо дар ҳавзи кашиши Zhejiang Ocean University гузаронида шудаанд. Ҳавз 130 m дарозӣ, 6 m паҳноӣ ва то 4 m чуқурии танзимшавандаи об дорад. Системаи тавлиди мавҷ метавонад дар диапазони 0,1–2,0 Hz мавҷ ҳосил кунад. Барои кам кардани инъикоси мавҷҳо дар охири ҳавз системаи хомӯшкунӣ ҷойгир шудааст.

Дар озмоиши физикӣ ҳаракатҳои ҷисмҳои шинокунанда бо камераҳои оптикии сабти ҳаракат чен шудаанд. Дар рӯи салҳо нишондиҳандаҳои инфрасурх гузошта шуда, камераҳо ҳаракати онҳоро пайгирӣ намуда, маълумоти ҳаракати шашдараҷаи озодиро ба даст овардаанд. Асбоби ченкунии баландии мавҷ бо 50 Hz, камераҳои сабти ҳаракат бо 120 Hz ва сенсорҳои шиддат бо 100 Hz намунагирӣ кардаанд.

Ҳавзи ададии мавҷ 28 m дарозӣ ва 3 m чуқурии об дорад. Дар тарафи вуруд ва баромади ҳавз минтақаҳои маҷбуркунии мавҷ ба дарозии 7 m мавҷуданд. Минтақаи вуруд барои тавлиди мавҷи мутамарказ ва минтақаи баромад барои хомӯш кардани мавҷҳои баромада ва кам кардани инъикос истифода шудааст.

Шаклҳои 1, 2, 3, 4 ва 5 чӣ нишон медиҳанд?

Шакли аввал системаи координатаҳои ҳисобиро барои ду ҷисми шинокунанда нишон медиҳад. Системаи глобалии координатаҳо дар сатҳи ороми об муайян шудааст ва ду системаи маҳаллӣ ба марказҳои вазнинии салҳои пеш ва қафо пайваст шудаанд. Ин тарҳ барои чен кардани ҳаракати ҳар сал ва ҳаракати нисбии байни онҳо зарур аст.

Дар тасвирҳои таҷҳизоти озмоишӣ модели ду сал, шарнир, системаи бастан, тавлидкунандаи мавҷ ва сохтори хомӯшкунандаи мавҷ якҷо дида мешаванд. Ин тасвирҳо нишон медиҳанд, ки система танҳо ду қуттии шинокунандаи озод нест; балки бо хатҳои бастан дар ҳавз ҷойгир карда шуда, бо шарнир пайваст ва ҳаракаташ чен карда мешавад.

Дар тасвири минтақаи ададӣ минтақаҳои вуруд, корӣ ва баромади маҷбуркунии мавҷ нишон дода шудаанд. Ин тарҳ имкон медиҳад, ки мавҷи мутамарказ дар нуқтаи пешакӣ муайяншуда ба системаи салҳо бирасад. Дар тасвири андозаи ҷисм, дарозии хоси як ҷисми шинокунанда 1,2 m, паҳноӣ 0,6 m ва баландӣ 0,3 m дода шудааст. Фосилаи ибтидоии салҳо 0,3 m аст. Ин андозаҳо барои таҳлилҳои баъдии фосилаи салҳо ҳамчун истинод хизмат мекунанд.

Дар тасвири шартҳои марзӣ сарҳадҳои вуруд ва баромад ҳамчун velocity-inlet, сарҳади боло ҳамчун pressure outlet, поён ҳамчун wall, сарҳадҳои паҳлӯӣ ҳамчун symmetry plane ва сатҳҳои ҷисм ҳамчун no-slip wall муайян шудаанд. Ин шартҳо барои фаъолияти идорашаванда ва аз ҷиҳати физикӣ маънодори ҳавзи ададии мавҷ заруранд.

Чаро мустақилияти шабака ва қадами вақт санҷида шуд?

Дар ҳисобҳои CFD натиҷаҳо ба ҳалнокии шабака ва қадами вақт ҳассосанд. Агар шабака хеле дағал бошад, қуллаи мавҷ дуруст сабт намешавад; агар аз ҳад майда бошад, хароҷоти ҳисоббарорӣ аз ҳад зиёд мешавад. Дар таҳқиқот шабакаҳои дағал, миёна ва майда муқоиса шудаанд. Барои мавҷи мутамарказ амплитудаи ҳадаф \(A_f=0,32\,m\), басомади қулла \(f_p=0,4\,Hz\) ва макони мутамарказшавӣ 14,8 m интихоб шудааст.

Дида шудааст, ки шабакаи дағал қуллаи мавҷро кам ҳисоб карда ва хатои фаза бештар аст. Байни шабакаҳои миёна ва майда бошад, фарқи амплитудаи мавҷ қариб аз байн рафтааст. Азбаски хатои шабакаи миёна нисбат ба амплитудаи ҳадаф дар ҳудуди %1,5 боқӣ мондааст, барои симулятсияҳои баъдӣ шабакаи миёна интихоб шудааст. Ин интихоб байни дақиқӣ ва хароҷоти ҳисоббарорӣ мувозинати амалӣ медиҳад.

Барои қадами вақт низ вариантҳои \(T_p/100\), \(T_p/1000\) ва \(T_p/10000\) муқоиса шудаанд. Натиҷаҳо нишон додаанд, ки қадами \(T_p/1000\) дақиқии лозимиро таъмин мекунад. Чунин санҷишҳои мустақилият барои нишон додани он муҳиманд, ки натиҷаҳои симулятсия танҳо аз шабака ё қадами вақти интихобшуда ба вуҷуд наомадаанд.

Модел чӣ гуна санҷида шуд?

Модели ададӣ дар ду марҳила санҷида шудааст. Аввал, ҷавоби динамикии ҳаракати WEC-и ду сал бо озмоишҳои модели физикӣ муқоиса шудааст. Барои санҷиш мавҷи мунтазам бо баландии 0,10 m ва давраи 1,67 s истифода шудааст. Ҳангоми муқоисаи ҳаракати нисбии pitch байни салҳои пеш ва қафо, натиҷаҳои ададӣ бо ченкуниҳои таҷрибавӣ ҳам аз ҷиҳати амплитуда ва ҳам фаза мувофиқати хуб нишон додаанд.

Санҷиши дуюм ба модели тавлиди мавҷи мутамарказ равона шудааст. Барои ин маълумоти таҷрибавии University of Plymouth COAST Laboratory истифода шудааст. Дар озмоиши интихобшуда мавҷи мутамарказ аз суперпозитсияи хаттии 244 ҷузъи мавҷӣ байни 0,101563 Hz ва 2 Hz сохта шудааст. Нуқтаи назариявии мутамарказшавӣ 14,8 m аз сарҳади тавлидкунандаи мавҷ дур аст. Баландиҳои мавҷи ададӣ бо маълумоти таҷрибавии нуқтаҳои интихобшудаи ченкунии мавҷ муқоиса шуда, барои амплитудаи қулла, баландии пастӣ ва рушди фаза мувофиқати хуб ба даст омадааст.

Ин санҷишҳо нишон медиҳанд, ки модел ҳам ҳаракати ду сал ва ҳам тавлиди мавҷи мутамарказро ба таври қобили қабул муаррифӣ мекунад. Аммо ин маънои онро надорад, ки модел дар ҳама шароити баҳрӣ комилан дуруст аст; танҳо нишон медиҳад, ки барои шароити истифодашуда бо маълумоти таҷрибавӣ дастгирӣ мешавад.

Ҳангоми афзоиши амплитудаи мавҷ чӣ мешавад?

Дар таҳқиқот аввал таъсири амплитудаи мавҷ санҷида шудааст. Дар шароити H1–H4 басомади қулла \(f_p=0,4\,Hz\) собит нигоҳ дошта шуда, амплитудаи мавҷи мутамарказ аз 0,20 m то 0,32 m зиёд шудааст. Бо афзоиши амплитуда ҳам heave ва ҳам pitch-и салҳои пеш ва қафо ба таври назаррас афзоиш ёфтааст.

Дар шароити амплитудаи хурди H1 ҳаракатҳои сал нисбатан мулоиманд. Дар H4, ки амплитуда максималӣ аст, қуллаҳои ҳаракати амудӣ ва кунҷҳои pitch хеле калонтар шудаанд. Ин нишон медиҳад, ки мавҷҳои мутамаркази баланд ба ҷисмҳо ҳаяҷони ногаҳонии қавитар медиҳанд.

Нуктаи махсусе, ки таҳқиқот қайд мекунад, ин аст, ки дар шароити амплитудаи максималӣ сали қафо рафтори классикии ҷунбиши хомӯшшавандаро нишон медиҳад. Пас аз гузаштани қуллаи мавҷ, сали қафо дар атрофи ҳолати мувозинат ҷунбишҳои камшаванда мекунад. Муҳаққиқон инро бо ҷудошавии ҷараён дар канорҳои тез, ҷудошавии гирдбодҳо ва таъсири хотираи моеъ шарҳ медиҳанд. Дар ин ҳолат хомӯшшавии часпакӣ дар рафтори пас аз ҳаракати гузаранда ҳукмрон мешавад.

Шаклҳои 11 ва 12 чӣ нишон медиҳанд?

Шакли 11 контурҳои скалярӣ ва ҳаракатҳои системаи ду салро дар лаҳзаҳои гуногун барои H1–H4 нишон медиҳад. Бо зиёд шудани амплитуда ҷисмҳо бештар моил мешаванд ва ҳангоми гузаштани мавҷи мутамарказ система ҳаракати сахттари ҷисми сахт нишон медиҳад.

Шакли 12 таърихи вақти pitch-и салҳои пеш ва қафоро медиҳад. Графикҳо нишон медиҳанд, ки бо афзоиши амплитуда pitch тақрибан хаттӣ меафзояд. Аммо дар H4 ҷунбиши хомӯшшавандаи сали қафо пас аз гузаштани мавҷ нишон медиҳад, ки ҳаракат таъсири часпакӣ ва ғайрихаттӣ дорад ва танҳо бо назарияи хаттии мавҷ шарҳ дода намешавад.

Чаро басомади қулла муҳим аст?

Дар марҳилаи дуюм басомади қуллаи мавҷ санҷида шудааст. Ин дафъа амплитуда \(A_f=0,32\,m\) собит буда, басомади қулла аз 0,4 Hz то 0,8 Hz зиёд шудааст. Натиҷаҳо нишон додаанд, ки ҷавоби ҳаракат ба басомад хеле ҳассос аст.

Дар басомадҳои паст pitch дар сатҳи миёна аст. Дар H6, ки ба басомади қуллаи 0,7 Hz мувофиқ аст, шадидтарин ҷавоби динамикӣ ба вуҷуд омадааст. Ҷавоби максималии pitch-и салҳои пеш ва қафо тақрибан ба 15° расидааст. Ин нишон медиҳад, ки 0,7 Hz ба хусусиятҳои табиии динамикии система наздик буда, резонанси пайвастаи бисёрҷисмӣ ба вуҷуд меорад.

Дар 0,8 Hz pitch дубора заиф шудааст. Зеро бо кӯтоҳ шудани давраи мавҷ система аз давраи табиии худ дур ва аз минтақаи резонанс берун мешавад. Ин нишон медиҳад, ки бузургтарин сарборӣ ҳамеша дар мавҷи кӯтоҳтарин ё баландтарин басомад ба вуҷуд намеояд. Омили асосӣ наздикии басомади таҳрикдиҳандаи мавҷ ба динамикаи табиии системаи сал–шарнир–бастан мебошад.

Шаклҳои 13 ва 14 чӣ нишон медиҳанд?

Шакли 13 контурҳои ҳаракати системаро дар H5–H7 барои басомадҳои гуногун нишон медиҳад. Дар H6 ҷисмҳо pitch-и қавитар ва равшантар доранд. Ин тасвир нишон медиҳад, ки ҳолати монанд ба резонанс танҳо рақами графикӣ нест, балки дар шакли физикии ҳаракати система низ намоён аст.

Шакли 14 таърихи вақти pitch-и салҳои пеш ва қафоро медиҳад. Дар H6 амплитудаҳои ҷунбиш ба баландтарин сатҳ мерасанд. Таҳқиқот инро ҳамчун таҳрик дар наздикии басомади табиии глобалии тамоми система, яъне сал, шарнир, PTO ва хатҳои бастан шарҳ медиҳад. Дар ин ҳолат ҳаракати ҷисмҳо, динамикаи шарнир ва таъсири хатҳои бастан дар фаза ҳамдигарро пурзӯр мекунанд.

Ҳамчунин гуфта мешавад, ки бо зиёд шудани басомади қулла вақти расидани энергияи қуллаи мавҷ ба нуқтаи мутамарказшавӣ дертар мешавад. Ин натиҷаи мустақими дисперсияи мавҷ дар оби чуқур аст. Суръати гурӯҳии бастаҳои мавҷии дорои саҳми басомади баланд фарқ мекунад; аз ин рӯ барои ҳамзамон ҷамъ шудани ҷузъҳо дар нуқтаи мутамарказшавӣ танзими дақиқи фаза лозим аст. Қобилияти модел барои сабт кардани ин рафтор дастгирӣ мекунад, ки физикаи мавҷи мутамарказ дуруст муаррифӣ шудааст.

Қувваҳои шарнир ва бастан чӣ гуна тағйир меёбанд?

Муҳимтарин натиҷаҳои муҳандисии таҳқиқот ба қувваҳои шарнир ва бастан марбутанд. Бо зиёд шудани амплитуда сарбориҳо ба таври ғайрихаттӣ афзоиш ёфтаанд. Қуллаи қувваи шарнир дар H4 тақрибан 1,7 маротиба аз H1 калонтар аст. Дар H6 бошад, қувваи шарнир тақрибан ба 2,5 маротибаи H1 мерасад. Ин нишон медиҳад, ки сарбориҳо на танҳо бо баландии мавҷ, балки бо басомад ва таъсири резонанс низ меафзоянд.

Дар таҳқиқот сарбориҳо бо истифода аз \(\rho\), \(g\) ва \(L\) беандоза карда шудаанд. Ин гуна беандозасозӣ муқоисаи системаҳои миқёсҳои гуногунро осон мекунад. Шакли умумии қувваи беандоза чунин фаҳмида мешавад:

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

Дар ин ҷо \(F^*\) қувваи беандоза, \(F\) қувваи воқеӣ, \(\rho\) зичии об, \(g\) шитоби ҷозиба ва \(L\) дарозии хос мебошанд. Ин ифода барои муқоисаи қувва бо миқёси гидростатикӣ истифода мешавад.

Баландтарин қувваи шарнир дар H6 ба вуҷуд омадааст. Ин ҳамон шароитест, ки бузургтарин ҷавоби ҳаракат дар он дида шудааст. Ба гуфтаи таҳқиқот, қувваи шарнир аз ҳаракати як сал ба танҳоӣ не, балки аз мутақобилаи пуршиддати қувваҳои инерсионии салҳои пеш ва қафо ба вуҷуд меояд. Дар шароити резонанс ҳаракати ду сал ва режимҳои ларзиши маҳаллӣ дар минтақаи шарнир ҳамдигарро пурзӯр карда, моментҳои хамшавӣ ва қувваҳои буришии интиқолёфтаро хеле зиёд мекунанд.

Чаро қувваҳои бастани салҳои пеш ва қафо бояд ҷудогона баҳогузорӣ шаванд?

Хатҳои бастан дастгоҳро дар минтақаи муайян нигоҳ дошта, сарбории мавҷиро ба замин ё нуқтаҳои собит интиқол медиҳанд. Дар таҳқиқот қувваҳои бастани салҳои пеш ва қафо ҷудогона санҷида шудаанд. Натиҷаҳо нишон медиҳанд, ки максимуми қувваи бастан барои ду сал дар як шароит ба вуҷуд намеояд. Қувваи бастани сали пеш дар H6 баландтарин аст, дар ҳоле ки барои сали қафо арзиши максималӣ дар H1 дида шудааст.

Ин фарқ нишон медиҳад, ки роҳҳои интиқоли сарборӣ вобаста ба басомад тағйир меёбанд. Дар баъзе шароитҳо сарбории динамикӣ бештар аз сали пеш ба хати бастан мегузарад, дар шароити дигар сали қафо ва хати бастани он бештар таъсир мебинанд. Аз ин рӯ, системаи бастан набояд танҳо бо як арзиши умумии сарборӣ баҳогузорӣ шавад. Хатҳои пеш ва қафо бояд ҷудогона таҳлил шуда, барои ҳар кадом шароити критикии мавҷ ба назар гирифта шавад.

Шакли 15 чӣ нишон медиҳад?

Шакли 15 қувваҳои шарнир, қувваҳои бастани пеш, қувваҳои бастани қафо ва ҷузъҳои X, Y, Z-и қувваҳои мавҷиро барои H1–H7 муқоиса мекунад. Графикҳо нишон медиҳанд, ки қувваи шарнир дар H6 ба таври равшан баландтарин аст. Қувваи бастани пеш низ дар H6 қулла медиҳад. Қувваи бастани қафо бошад, рафтори дигар дошта, метавонад дар шароити басомади пасттар баланд бошад.

Ҳангоми муқоисаи қувваҳои мавҷӣ дар самтҳои X, Y ва Z, қувваи Z бартарӣ дорад. Ин бо афзоиши ногаҳонии қувваи бардошт ҳангоми боло рафтани сатҳи мавҷ шарҳ дода мешавад. Қувваҳои X ва Y бештар ба дифраксия ва кашиши часпакӣ вобастаанд ва хурдтар мемонанд. Қариб сифр будани қувваи Y симметрияи паҳлӯии модел ва боркунии мавҷиро тасдиқ мекунад.

Чаро фосилаи байни ду сал дар маркази тарҳ аст?

Таҳлили охирин ба тағйир додани фосилаи байни ду сал равона шудааст. Ин таҳлил дар шароити H6 анҷом дода шудааст, зеро H6 бо амплитудаи 0,32 m ва басомади қуллаи 0,7 Hz бузургтарин ҳаракат ва сарбории шарнирро ба вуҷуд овардааст. Фосилаи салҳо байни 0,2 m ва 0,6 m тағйир дода шуда, шароити T1–T5 ташкил шудааст.

Фосилаи салҳо мутақобилаи гидродинамикӣ ва фарқи фазаи ҳаракати нисбии ҷисмҳои пеш ва қафоро муайян мекунад. Дар фосилаи хеле хурд ҷисмҳо ба ҳам сахт таъсир карда, қариб мисли як ҷисми сахт ҳамоҳанг ҳаракат мекунанд. Ин метавонад сарбориро кам кунад, аммо ҳаракати нисбии кунҷиро, ки барои истеҳсоли энергия лозим аст, маҳдуд мекунад. Дар фосилаи миёна ҷисмҳо мустақилтар ҳаракат карда, фарқи фаза калонтар мешавад. Ин метавонад иқтидори гирифтани энергияро зиёд кунад, вале сарбории шарнирро ҳам афзоиш диҳад. Дар фосилаи хеле калон пайванди гидродинамикӣ заиф шуда, моменти хамшавии статикӣ дар пайванд метавонад зиёд шавад.

Фосилаҳои 0,2 m, 0,3 m, 0,4 m ва 0,6 m чӣ нишон медиҳанд?

Дар фосилаи 0,2 m таъсири сояандозии қавии гидродинамикӣ ба вуҷуд меояд. Ду сал бо ҳамоҳангии баланд ҳаракат мекунанд. Дар ин ҳолат амплитудаи pitch хурдтарин ва ҷавоби динамикӣ ҳамвортар аст. Аз нигоҳи қобилияти зинда мондан ин бартарӣ дорад, зеро сарбории шарнир ва бастан камтар аст. Аммо кам будани ҳаракати нисбии кунҷӣ иқтидори истифодаи энергияи мавҷро маҳдуд мекунад.

Дар фосилаи 0,4 m ҷисмҳо фазои кофии ҳаракати мустақил пайдо мекунанд. Зери таҳрики мавҷ фарқи фазаи назаррас ба вуҷуд омада, система ба сатҳи мавҷ беҳтар мутобиқ мешавад. Дар ин шароит бузургтарин pitch дида шудааст. Аз нигоҳи гирифтани энергия ин метавонад мусбат бошад, зеро ҳаракати нисбӣ калон аст. Аммо ҳаракати калон ҳамеша бехатар нест ва аз ҷиҳати сарбории сохторӣ бояд бодиққат арзёбӣ шавад.

Дар фосилаи 0,3 m қувваи шарнир ба қуллаи мутлақ мерасад. Таҳқиқот инро бо пайвастшавии инерсионии ҳаракати салҳои пеш ва қафо шарҳ медиҳад. Фарқи фаза ва шитоб байни ҷисмҳо бузургтарин моменти динамикии хамшавӣ ва қувваи буриширо дар шарнир ба вуҷуд овардааст. Аз ин рӯ, фосилаи 0,3 m бояд ҳамчун шароити критикии сарборӣ барои тарҳи устувории шарнир ба назар гирифта шавад.

Дар фосилаи 0,6 m пайванди гидродинамикӣ заиф мешавад. Ҷавоби динамикӣ нисбат ба 0,4 m камтар аст, аммо зиёд шудани фосилаи байни ҷисмҳо метавонад моменти хамшавии статикиро дар пайванд афзоиш диҳад. Ин маънои онро дорад, ки фосилаи калон ҳам худ аз худ бехатартар нест.

Шаклҳои 16, 17 ва 18 чӣ нишон медиҳанд?

Шакли 16 контурҳои ҳаракати система зери мавҷи мутамарказро барои фосилаҳои гуногун нишон медиҳад. Дар фосилаи хурд ҷисмҳо бештар якҷо ҳаракат мекунанд, дар фосилаи миёна ҳаракати нисбӣ зиёд ва дар фосилаи калон пайванди гидродинамикӣ заиф мешавад.

Шакли 17 таърихи вақти pitch-и салҳои пеш ва қафоро барои T1–T5 нишон медиҳад. Фосилаи 0,4 m бузургтарин pitch ва фосилаи 0,2 m хурдтарин ва ҳамвортарин ҷавобро медиҳад. Ин график тавозуни байни гирифтани энергия ва амнияти сохториро равшан нишон медиҳад.

Шакли 18 қувваҳои шарнир ва бастанро барои T1–T5 муқоиса мекунад. Қувваи шарнир дар 0,3 m баландтарин аст. Қувваҳои бастани пеш ва қафо низ дар ҳамин 0,3 m қулла медиҳанд. Ин нишон медиҳад, ки фосилаи салҳо на танҳо ҳаракат, балки роҳи интиқоли сарбориро низ аз нав ташкил мекунад. Дар тарҳ танҳо ба максимуми pitch нигоҳ кардан кофӣ нест; қувваҳои шарнир ва бастан низ бояд якҷо баҳогузорӣ шаванд.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Доштани санҷиши таҷрибавӣ: Модели ададӣ ҳам бо маълумоти ҳаракати ду сал ва ҳам бо озмоишҳои мавҷи мутамарказ муқоиса шудааст.
• Таваҷҷуҳ ба шароити мавҷи шадид: Таҳқиқот на танҳо самаранокии кори муқаррарӣ, балки қобилияти зинда мондани дастгоҳро баррасӣ мекунад.
• Алоҳида омӯхтани сарбории шарнир ва бастан: Ин барои фаҳмидани ҷузъҳои критикии сохторӣ дар WEC-и навъи сал арзишманд аст.
• Арзёбии системавии амплитуда, басомад ва фосилаи сал: Таъсири шароити гуногуни мавҷ ва тарҳ муқоиса шудааст.
• Ба назар гирифтани мутақобилаи бисёрҷисмӣ: Сали пеш, сали қафо, шарнир ва системаи бастан якҷо арзёбӣ шудаанд.
• Натиҷаҳои амалии тарҳӣ: 0,7 Hz ҳамчун шароити критикии резонанс, 0,3 m ҳамчун фосилаи критикии сарборӣ ва 0,4 m ҳамчун фосилаи ҳаракати қавӣ нишон дода шудааст.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Ҳолати peer review: Таҳқиқот preprint аст ва аз арзёбии ҳамсолон нагузаштааст.
• Фарзи ҷисми сахт: Ҷисмҳои сал ва пайванд сахт қабул шудаанд. Дар сохтори воқеӣ деформатсияҳои чандирӣ ва шиддатҳои мавод бояд ҷудогона таҳлил шаванд.
• Маҳдудияти модели ададӣ: Ҳарчанд модели CFD бо маълумоти таҷрибавӣ санҷида шудааст, наметавон гуфт, ки ҳамаи шароити воқеии баҳрро пурра фаро мегирад.
• Миқёс ва шароити саҳроӣ: Таҳқиқот дар миқёси модел ва ҳавзи ададии мавҷ гузаронида шудааст; санҷиши пурраи баҳри кушод пешниҳод нашудааст.
• Ҷузъиёти PTO маҳдуд аст: Таҳқиқот бештар ба ҷавоби гидродинамикӣ ва интиқоли сарборӣ равона шудааст, на ба ҷузъиёти истеҳсоли энергия.
• Таҳлили хасташавӣ ва осеби дарозмуддат маҳдуд аст: Ҳарчанд қувваҳои критикии шарнир муайян шудаанд, хасташавии дарозмуддати мавод таҳлили сохтории муфассал талаб мекунад.

Таҳқиқот чӣ мегӯяд ва чӣ намегӯяд?

Таҳқиқот чунин мегӯяд: Дар зери мавҷҳои шадиди мутамарказ ҷавобҳои ҳаракатӣ ва сарбории WEC-и ду сал ба амплитудаи мавҷ, басомади қулла ва фосилаи салҳо сахт вобастаанд. Басомади 0,7 Hz резонанси пайвастаро ба вуҷуд оварда, бузургтарин ҳаракат ва қувваи шарнирро медиҳад. Фосилаи 0,3 m аз ҷиҳати сарбории шарнир ва бастан критикӣ аст, 0,4 m бузургтарин pitch медиҳад ва 0,2 m конфигуратсияи устувортар ва бо сарбории камтар мебошад.

Таҳқиқот чунин намегӯяд: Исбот намекунад, ки ин тарҳ дар шароити воқеии баҳри кушод ҳатман бехатар аст. Ҳамчунин намегӯяд, ки беҳтарин фосилаи истеҳсоли энергия ҳатман 0,4 m ё бехатартарин тарҳ ҳамеша 0,2 m аст. Таҳқиқот дар ҳудуди андозаи модели мушаххас, шароити мавҷ, усулҳои ададӣ ва сенарияҳои санҷидашуда тамоюлҳои муҳандисиро нишон медиҳад. Барои татбиқи пурраи миқёсӣ таҳлили устувории сохторӣ, хасташавӣ, рафтори PTO, амнияти мавод, стратегияҳои нигоҳдорӣ ва иқтисод алоҳида лозиманд.

Аҳамият аз нигоҳи гузашта, имрӯз ва оянда

Дар гузашта ҳадафи асосии системаҳои энергияи мавҷ аксаран гирифтани ҳарчи бештари энергия буд. Ин ҳанӯз ҳам муҳим аст, аммо барои дастгоҳе, ки муддати дароз дар баҳр кор мекунад, устуворӣ ба ҳамон андоза муҳим мебошад. Системае, ки дар мавҷи шадид мешиканад ё хати бастанашро аз даст медиҳад, ҳатто агар самаранокии баланд дошта бошад ҳам, дар амал муваффақ нест.

Имрӯз яке аз мушкилоти асосии муҳандисони энергияи барқароршавандаи баҳрӣ тавозуни байни истеҳсоли энергия ва қобилияти зинда мондан аст. Ин таҳқиқот ин тавозунро дар мисоли WEC-и ду сал равшан мекунад. Ҳаракати нисбӣ барои энергия лозим аст, аммо ҳамон ҳаракат сарбории шарнир ва бастанро зиёд мекунад.

Дар оянда чунин таҳлилҳо метавонанд ба тарҳи бехатар, устувор ва иқтисодии дастгоҳҳои энергияи мавҷ мусоидат кунанд. Тарҳи бо CFD дастгиришуда метавонад шумораи прототипҳои гаронро кам ва шароити хатарноки мавҷро пешакӣ дар компютер санҷад. Аммо барои татбиқи ниҳоӣ таҳлилҳои ададӣ бояд бо маълумоти пурраи миқёси саҳроӣ дастгирӣ шаванд.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Тарҳи техникии таҳқиқот

Андозаҳои модел ва ҳавзи ададӣ

Шароити мавҷи мутамарказ

Шароити фосилаи салҳо

Формулаҳои муҳим ва маънои онҳо

Натиҷаҳои асосӣ

• Бо афзоиши амплитудаи мавҷ heave, pitch, қувваи шарнир, қувваи бастан ва сарбориҳои мавҷӣ ба таври ғайрихаттӣ афзоиш ёфтанд.
• Дар амплитудаи 0,32 m сали қафо пас аз гузаштани мавҷ pitch-и хомӯшшавандаро нишон дод. Ин бо хомӯшшавии часпакӣ ва таъсири хотираи моеъ алоқаманд дониста шудааст.
• Басомади қуллаи 0,7 Hz резонанси пайвастаи бисёрҷисмиро ба вуҷуд оварда, бузургтарин ҳаракатҳо ва баландтарин қувваи шарнирро тавлид кард.
• Дар H6 қувваи шарнир тақрибан ба 2,5 маротибаи H1 расид.
• Қувваи мавҷӣ дар самти Z нисбат ба X ва Y бартарӣ дошт. Ин аҳамияти афзоиши ногаҳонии қувваи бардоштро бо болоравии сатҳи мавҷ нишон медиҳад.
• Максимуми сарбории хатҳои бастани пеш ва қафо метавонад дар шароити гуногун ба вуҷуд ояд. Аз ин рӯ, система бояд барои ҳар сал ҷудогона таҳлил шавад.
• Фосилаи 0,2 m ҳаракати устувортар ва бо сарбории камтар дод, аммо ҳаракати нисбии барои энергия заруриро маҳдуд кард.
• Фосилаи 0,4 m бузургтарин pitch-ро ба вуҷуд овард ва аз нигоҳи иқтидори гирифтани энергия ҷолиб буд.
• Фосилаи 0,3 m бузургтарин сарбории шарнир ва бастанро ба вуҷуд овард ва аз ин рӯ ҳамчун фосилаи критикии сохторӣ муайян шуд.
• Фосилаи 0,6 m пайвастшавии гидродинамикиро заиф ва моменти хамшавии статикӣ дар пайвандро зиёд кард.

Дарсҳои муҳандисӣ барои тарҳ

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Ин мақола бар асоси таҳқиқоти Peng Xu, Cheng Lu, Yuan Zhang, Changqing Jiang, Xuanyu Chen ва Xiwu Gong бо унвони “Hydrodynamic response and survivability of a hinged dual-raft wave energy converter under focused extreme waves” таҳия шудааст. Таҳқиқот як мақолаи preprint дар SSRN мебошад. Азбаски дар матн ба таври равшан “This preprint research paper has not been peer reviewed” навишта шудааст, он аз арзёбии ҳамсолон нагузаштааст.

Мундариҷа бар асоси усули CFD-и ададӣ, симулятсияҳои STAR-CCM+, модели VOF барои сатҳи озод, равиши турбулентии SST k-ω, модели динамикии бисёрҷисмӣ, формулаҳои тавлиди мавҷи мутамарказ, санҷишҳои мустақилияти шабака ва қадами вақт, натиҷаҳои санҷиши таҷрибавӣ, шароити H1–H7 ва таҳлилҳои фосилаи сал T1–T5 омода шудааст.

Дар ин матн иддаоҳои дар таҳқиқот набуда, мисли муваффақияти тиҷоратӣ, кафолати бехатарии пурраи баҳри кушод, фоидаи қатъии истеҳсоли энергия ё татбиқи мустақими натиҷаҳо ба ҳамаи табдилдиҳандаҳои навъи сал илова нашудаанд. Таҳқиқот дар миқёси модел ва бо симулятсияҳои ададии санҷидашуда тамоюлҳои муҳандисиро пешниҳод мекунад. Барои татбиқи воқеӣ шароити пурраи баҳр, таҳлили шиддати сохторӣ, устувории хасташавӣ, рафтори PTO, бехатарии мавод, стратегияҳои нигоҳдорӣ ва асоснокии иқтисодӣ бояд алоҳида арзёбӣ шаванд.

Азбаски таҳқиқот preprint аст, натиҷаҳо бояд бо эҳтиёт хонда шаванд. Бо вуҷуди ин, таҳқиқот барои тарҳи мутамарказ ба қобилияти зинда мондани табдилдиҳандаҳои ду сал паёми муҳим медиҳад: бе таҳлили якҷояи фосилаи сал, басомади қулла, қувваи шарнир ва сарбории хатҳои бастан сохтани тарҳи ҳам бехатар ва ҳам самаранок мушкил мешавад.