本發(fā)明涉及海洋波浪能利用的，尤其是涉及一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、海洋中波浪能具有巨大的開發(fā)潛能，波浪能有豐富的應(yīng)用場景，如與浮式防波堤形成集成系統(tǒng)降本增效、與海上風(fēng)電，海上光伏形成多能互補(bǔ)、還可以為遠(yuǎn)離陸地的島礁提供能源促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。波浪能轉(zhuǎn)換裝置的開發(fā)利用技術(shù)目前還處在研究階段，如何提高裝置的波浪俘獲效率、如何提高裝置在復(fù)雜海況下的產(chǎn)能是目前研究的重點。振蕩水柱波浪能裝置因其結(jié)構(gòu)形式簡單且關(guān)鍵部件捕魚海水接觸而受到廣泛應(yīng)用，裝置核心為與海水接觸的氣室和進(jìn)行發(fā)電的渦輪透平。氣室內(nèi)的水柱因為波浪的周期性運動而產(chǎn)生往復(fù)運動，從而將氣室內(nèi)的空氣壓縮，在氣室頂部的排氣口形成氣流，帶動透平裝置轉(zhuǎn)動，然后驅(qū)動發(fā)電裝置發(fā)電。

2、對裝置的外形結(jié)構(gòu)與氣室個數(shù)進(jìn)行優(yōu)化能有效提高裝置的波浪俘獲能力，但目前較多的方法只是簡單的對氣孔寬度、吃水深度、氣室寬度進(jìn)行人工優(yōu)化，設(shè)計優(yōu)化效率較低，優(yōu)化程度較低，得到的效果較差，不能滿足現(xiàn)有的需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，能夠利用多平臺聯(lián)動，為波浪能裝置的優(yōu)化設(shè)計提供更優(yōu)的方法。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，包括以下步驟：

3、步驟s1：確定待優(yōu)化的波浪能裝置的建模參數(shù)，建模參數(shù)共包括五個，分別為波浪能裝置氣孔的寬度、波浪能裝置的壁厚、波浪能裝置的吃水深度、波浪能裝置的內(nèi)部空氣柱的高度和波浪能裝置的氣室寬度；在三維建模軟件中對波浪能裝置進(jìn)行參數(shù)化建模，得到波浪能裝置的參數(shù)化建模；

4、步驟s2：將建模參數(shù)中的任一項設(shè)置為目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，其余四項建模參數(shù)設(shè)置為常數(shù)，獲取波浪能裝置的u個目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，定義為au；

5、步驟s3：向流體力學(xué)軟件中輸入步驟s1中的參數(shù)化建模，并依據(jù)不同的目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)計算出對應(yīng)的波浪能裝置的氣壓值p1(t)與氣體流速值v(t)，形成離散點組；

6、步驟s4：對離散點組采用高斯過程進(jìn)行擬合，構(gòu)建代理模型；

7、步驟s5：用代理模型進(jìn)行最終的優(yōu)化設(shè)計，當(dāng)完成收斂條件時，得到優(yōu)化后的目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)。

8、優(yōu)選的，所述步驟s2中，將氣室寬度作為目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，獲取波浪能裝置的氣室寬度的方式為按照相同距離獲取不同高度位置的氣室寬度。

9、優(yōu)選的，所述步驟s3中，流體力學(xué)計算的過程如下：

10、在步驟s1中的參數(shù)化模型中，以均勻拉丁超立方原則采集若干個樣本點，一個樣本點包括一組建模參數(shù)的值，每組建模參數(shù)中目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)的值不同的，并進(jìn)行流體力學(xué)的參數(shù)設(shè)置，對不同的樣本點計算，計算結(jié)果為裝置內(nèi)部氣壓值p1(t)與氣孔處的氣體流速值v(t)，將建模參數(shù)、氣壓值和氣體流速值統(tǒng)合形成離散點組。

11、優(yōu)選的，所述步驟s3中流體力學(xué)的參數(shù)設(shè)置包括網(wǎng)格的設(shè)定、物理邊界的設(shè)定和工況參數(shù)的設(shè)定，其中網(wǎng)格設(shè)置δx和δy為波長的1/80，δz為波幅的1/20，在物體表面以及自由液面處對網(wǎng)格進(jìn)行加密，物理邊界包括速度入口、壓力出口和壁面，工況參數(shù)包括水深、入射波高和入射波周期。

12、優(yōu)選的，所述步驟s4中，通過高斯過程對代理模型的構(gòu)建過程如下：

13、將離散點組的分布轉(zhuǎn)化為函數(shù)的分布，由均值函數(shù)和協(xié)方差函數(shù)來確定，

14、高斯過程的代理模型表達(dá)式如下：

15、η(a1,a2,a3…au)～n(μ(a),k(ai,aj))；

16、

17、

18、上式中，η(a1,a2,a3…au)為效率的目標(biāo)函數(shù)，μ(a)為均值函數(shù)向量，k(ai,aj)為協(xié)方差函數(shù)矩陣，σ和l為超參數(shù)，ai和aj為高斯過程連續(xù)域上的兩個不同的樣本點數(shù)據(jù)。

19、優(yōu)選的，所述步驟s5中，代理模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程如下：

20、以發(fā)電效率為波浪能裝置的目標(biāo)，通過遺傳算法進(jìn)行最優(yōu)參數(shù)搜索，計算發(fā)電效率的過程如下：

21、平均功率的計算方法如下：

22、q1(t)＝v(t)×a；

23、

24、上式中，表示單位時間內(nèi)氣室的空氣體積流量，v(t)表示氣體流速值，a表示氣孔的橫截面積，e為裝置平均功率，n為獲取連續(xù)數(shù)據(jù)的周期數(shù)，t為波浪周期，p1(t)為氣室內(nèi)壓強(qiáng)，裝置效率的計算公式如下：

25、

26、上式中，η表示裝置效率，e為裝置平均功率，e0為單位寬度入射波波能流率，y0為裝置垂直入射波方向的寬度，l為入射波長，ρ為水的密度，g為重力加速度，h為入射波高，t為波浪周期，k為波數(shù)，h為水槽水深；

27、目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)最優(yōu)解的公式如下：

28、max:η(a1,a2,a3…,au)；

29、上式中，每個目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)均設(shè)置有對應(yīng)的取值范圍。

30、因此，本發(fā)明采用上述的一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，具有以下好處：

31、一、本發(fā)明的方法建立了一套“模型參數(shù)-cfd計算-數(shù)據(jù)后處理-擬合代理模型-目標(biāo)優(yōu)化”的全流程優(yōu)化平臺，能夠滿足多參數(shù)、多目標(biāo)的優(yōu)化場景，為波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化提供新方法。

32、二、本發(fā)明的方法對樣本點的計算采用計算流體力學(xué)的方法進(jìn)行液體粘性，氣體耗散的高保真模擬，建立氣-液歐拉兩相數(shù)值水槽，采用stokes五階波模擬試驗波浪條件，是能夠符合高精度的水動-氣動-pto系統(tǒng)耦合模型。

33、三、本發(fā)明的方法對，建立代理模型，搭建結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)之間的耦合橋梁。利用代理模型進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)行最優(yōu)解的全局搜索，在保證模擬精度的情況下，大幅度提升全流程模擬的效率。

34、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

技術(shù)特征：

1.一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：所述步驟s2中，將氣室寬度作為目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，獲取波浪能裝置的氣室寬度的方式為按照相同距離獲取不同高度位置的氣室寬度。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：所述步驟s3中，流體力學(xué)計算的過程如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：所述步驟s3中流體力學(xué)的參數(shù)設(shè)置包括網(wǎng)格的設(shè)定、物理邊界的設(shè)定和工況參數(shù)的設(shè)定，其中網(wǎng)格設(shè)置δx和δy為波長的1/80，δz為波幅的1/20，在物體表面以及自由液面處對網(wǎng)格進(jìn)行加密，物理邊界包括速度入口、壓力出口和壁面，工況參數(shù)包括水深、入射波高和入射波周期。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：所述步驟s4中，通過高斯過程對代理模型的構(gòu)建過程如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：所述步驟s5中，代理模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的過程如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種振蕩水柱波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化方法，屬于海洋波浪能利用技術(shù)領(lǐng)域，具體步驟如下：步驟S1：確定待優(yōu)化的裝置的建模參數(shù)，對波浪能裝置進(jìn)行參數(shù)化建模，得到波浪能裝置的參數(shù)化建模；步驟S2：將建模參數(shù)中的氣室寬度選定為目標(biāo)優(yōu)化參數(shù)，其他建模參數(shù)設(shè)置為常數(shù)，步驟S3：在流體力學(xué)軟件中將參數(shù)化建模輸入，計算出對應(yīng)的波浪能裝置的氣壓值P<subgt;1</subgt;(t)與氣體流速值V(t)，形成離散點組；步驟S4：對離散點組進(jìn)行擬合，構(gòu)建代理模型；步驟S5：用代理模型進(jìn)行最終的優(yōu)化設(shè)計。本發(fā)明采用上述方法，能夠滿足多參數(shù)、多目標(biāo)的優(yōu)化場景，為波浪能裝置的設(shè)計優(yōu)化提供新方法。

技術(shù)研發(fā)人員：周斌珍,黃煦,葉冰旭,金鵬,袁煜明,牛奇奔
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6