一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法

本发明涉及海洋波浪能利用的，尤其是涉及一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法。

背景技术：

1、海洋中波浪能具有巨大的开发潜能，波浪能有丰富的应用场景，如与浮式防波堤形成集成系统降本增效、与海上风电，海上光伏形成多能互补、还可以为远离陆地的岛礁提供能源促进地区经济的发展。波浪能转换装置的开发利用技术目前还处在研究阶段，如何提高装置的波浪俘获效率、如何提高装置在复杂海况下的产能是目前研究的重点。振荡水柱波浪能装置因其结构形式简单且关键部件捕鱼海水接触而受到广泛应用，装置核心为与海水接触的气室和进行发电的涡轮透平。气室内的水柱因为波浪的周期性运动而产生往复运动，从而将气室内的空气压缩，在气室顶部的排气口形成气流，带动透平装置转动，然后驱动发电装置发电。

2、对装置的外形结构与气室个数进行优化能有效提高装置的波浪俘获能力，但目前较多的方法只是简单的对气孔宽度、吃水深度、气室宽度进行人工优化，设计优化效率较低，优化程度较低，得到的效果较差，不能满足现有的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，能够利用多平台联动，为波浪能装置的优化设计提供更优的方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：确定待优化的波浪能装置的建模参数，建模参数共包括五个，分别为波浪能装置气孔的宽度、波浪能装置的壁厚、波浪能装置的吃水深度、波浪能装置的内部空气柱的高度和波浪能装置的气室宽度；在三维建模软件中对波浪能装置进行参数化建模，得到波浪能装置的参数化建模；

4、步骤s2：将建模参数中的任一项设置为目标优化参数，其余四项建模参数设置为常数，获取波浪能装置的u个目标优化参数，定义为au；

5、步骤s3：向流体力学软件中输入步骤s1中的参数化建模，并依据不同的目标优化参数计算出对应的波浪能装置的气压值p1(t)与气体流速值v(t)，形成离散点组；

6、步骤s4：对离散点组采用高斯过程进行拟合，构建代理模型；

7、步骤s5：用代理模型进行最终的优化设计，当完成收敛条件时，得到优化后的目标优化参数。

8、优选的，所述步骤s2中，将气室宽度作为目标优化参数，获取波浪能装置的气室宽度的方式为按照相同距离获取不同高度位置的气室宽度。

9、优选的，所述步骤s3中，流体力学计算的过程如下：

10、在步骤s1中的参数化模型中，以均匀拉丁超立方原则采集若干个样本点，一个样本点包括一组建模参数的值，每组建模参数中目标优化参数的值不同的，并进行流体力学的参数设置，对不同的样本点计算，计算结果为装置内部气压值p1(t)与气孔处的气体流速值v(t)，将建模参数、气压值和气体流速值统合形成离散点组。

11、优选的，所述步骤s3中流体力学的参数设置包括网格的设定、物理边界的设定和工况参数的设定，其中网格设置δx和δy为波长的1/80，δz为波幅的1/20，在物体表面以及自由液面处对网格进行加密，物理边界包括速度入口、压力出口和壁面，工况参数包括水深、入射波高和入射波周期。

12、优选的，所述步骤s4中，通过高斯过程对代理模型的构建过程如下：

13、将离散点组的分布转化为函数的分布，由均值函数和协方差函数来确定，

14、高斯过程的代理模型表达式如下：

15、η(a1,a2,a3…au)～n(μ(a),k(ai,aj))；

16、

17、

18、上式中，η(a1,a2,a3…au)为效率的目标函数，μ(a)为均值函数向量，k(ai,aj)为协方差函数矩阵，σ和l为超参数，ai和aj为高斯过程连续域上的两个不同的样本点数据。

19、优选的，所述步骤s5中，代理模型进行优化设计的过程如下：

20、以发电效率为波浪能装置的目标，通过遗传算法进行最优参数搜索，计算发电效率的过程如下：

21、平均功率的计算方法如下：

22、q1(t)＝v(t)×a；

23、

24、上式中，表示单位时间内气室的空气体积流量，v(t)表示气体流速值，a表示气孔的横截面积，e为装置平均功率，n为获取连续数据的周期数，t为波浪周期，p1(t)为气室内压强，装置效率的计算公式如下：

25、

26、上式中，η表示装置效率，e为装置平均功率，e0为单位宽度入射波波能流率，y0为装置垂直入射波方向的宽度，l为入射波长，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为入射波高，t为波浪周期，k为波数，h为水槽水深；

27、目标优化参数最优解的公式如下：

28、max:η(a1,a2,a3…,au)；

29、上式中，每个目标优化参数均设置有对应的取值范围。

30、因此，本发明采用上述的一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，具有以下好处：

31、一、本发明的方法建立了一套“模型参数-cfd计算-数据后处理-拟合代理模型-目标优化”的全流程优化平台，能够满足多参数、多目标的优化场景，为波浪能装置的设计优化提供新方法。

32、二、本发明的方法对样本点的计算采用计算流体力学的方法进行液体粘性，气体耗散的高保真模拟，建立气-液欧拉两相数值水槽，采用stokes五阶波模拟试验波浪条件，是能够符合高精度的水动-气动-pto系统耦合模型。

33、三、本发明的方法对，建立代理模型，搭建结构设计参数与目标函数之间的耦合桥梁。利用代理模型进行后续的优化设计，进行最优解的全局搜索，在保证模拟精度的情况下，大幅度提升全流程模拟的效率。

34、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

技术特征：

1.一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，其特征在于：所述步骤s2中，将气室宽度作为目标优化参数，获取波浪能装置的气室宽度的方式为按照相同距离获取不同高度位置的气室宽度。

3.根据权利要求1所述的一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，其特征在于：所述步骤s3中，流体力学计算的过程如下：

4.根据权利要求3所述的一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，其特征在于：所述步骤s3中流体力学的参数设置包括网格的设定、物理边界的设定和工况参数的设定，其中网格设置δx和δy为波长的1/80，δz为波幅的1/20，在物体表面以及自由液面处对网格进行加密，物理边界包括速度入口、压力出口和壁面，工况参数包括水深、入射波高和入射波周期。

5.根据权利要求4所述的一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，其特征在于：所述步骤s4中，通过高斯过程对代理模型的构建过程如下：

6.根据权利要求5所述的一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，其特征在于：所述步骤s5中，代理模型进行优化设计的过程如下：

技术总结本发明公开了一种振荡水柱波浪能装置的设计优化方法，属于海洋波浪能利用技术领域，具体步骤如下：步骤S1：确定待优化的装置的建模参数，对波浪能装置进行参数化建模，得到波浪能装置的参数化建模；步骤S2：将建模参数中的气室宽度选定为目标优化参数，其他建模参数设置为常数，步骤S3：在流体力学软件中将参数化建模输入，计算出对应的波浪能装置的气压值P<subgt;1</subgt;(t)与气体流速值V(t)，形成离散点组；步骤S4：对离散点组进行拟合，构建代理模型；步骤S5：用代理模型进行最终的优化设计。本发明采用上述方法，能够满足多参数、多目标的优化场景，为波浪能装置的设计优化提供新方法。技术研发人员：周斌珍,黄煦,叶冰旭,金鹏,袁煜明,牛奇奔受保护的技术使用者：华南理工大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6