【技术实现步骤摘要】
一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法
本专利技术涉及波浪能的利用领域,尤其是一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法。
技术介绍
现代社会对能源的需求越来越大,寻求高效、清洁和安全的新能源成为解决人们对能源需求的重要途径。海洋波浪能作为一种新型、清洁、无污染的可再生能源,因其具有储量大、能量密度高、分布广泛、能量易于转化等优点,已成为现在国际研究的重点。传统的波浪能装置按能量传递转换的方式可分为机械式、水压式、液压式、直线电机式等。但是由于波浪能是一个低频(<5Hz)的能量,所以对于上述方法来说,对于波浪能的获取效率都不高。近年来发展起来的摩擦纳米发电机在对不规则和低频(<5Hz)波浪能获取方面表现出了比传统波浪能发电装置更优越的性能,逐渐成为国内外的研究热点。其中,球形摩擦发电机在具有摩擦发电机普遍获能优势的基础上,还具有质量轻、在水波中运动阻力小以及易于阵列化等诸多优点,日益受到了国内外学者的青睐。当前,人们对球形摩擦发电机的研究还主要是从功能实现的角度,采用静态仿真的方法对其发电机理进行研究。实际上,球形摩擦发电机的输出性能强依赖于外部波浪激励以及装置的物理属性(结构和材料参数)。为了更加真实地研究球形摩擦发电机在真实海况下的输出性能,本专利技术通过构建集波浪场、瞬态摩擦接触力场和静电场的多物理场耦合模型,分析球形摩擦纳米发电机在特定海况下的瞬态输出性能,为球形摩擦发电机在波浪能开发领域的实用化奠定基础。目前,国内外学者大多采用静态的静电场参数化仿真的方法对摩擦纳米发电机的性能进行仿真分析,一般 ...
【技术保护点】
1.一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤S1,建立摩擦纳米发电机的几何模型和数值波浪激励场模型:包括确定数值波浪场计算域尺寸,外球壳和内球体的几何形状及相对位置;步骤S2,确定电极布置类型,建立其几何模型:包括确定电极的数量、位置和形状;步骤S3,添加物理场;步骤S4,设置空气域、水域、球形摩擦纳米发电机材料属性;步骤S5,网格划分,划分网格之前采用虚拟操作忽略部分边界,采用自由三角形网格进行网格划分并根据各个物理场的需要进行网格细化;步骤S6,设置各物理场属性和边界条件;步骤S7,确定各物理场耦合关系,建立多物理场耦合模型;步骤S8,流场特性分析:包括数值波浪激励场的振幅和频率分析;步骤S9,静电场特性分析:包括球形摩擦纳米发电机的电势分布、电极间的开路电压和等效电容的瞬态分析;步骤S10,球形摩擦纳米发电机等效电路仿真分析:提取静电场分析得到的时域开路电压和等效电容,将其导入电路仿真软件Pspice中进行最优负载匹配分析和输出电能分析。
【技术特征摘要】
1.一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤S1,建立摩擦纳米发电机的几何模型和数值波浪激励场模型:包括确定数值波浪场计算域尺寸,外球壳和内球体的几何形状及相对位置;步骤S2,确定电极布置类型,建立其几何模型:包括确定电极的数量、位置和形状;步骤S3,添加物理场;步骤S4,设置空气域、水域、球形摩擦纳米发电机材料属性;步骤S5,网格划分,划分网格之前采用虚拟操作忽略部分边界,采用自由三角形网格进行网格划分并根据各个物理场的需要进行网格细化;步骤S6,设置各物理场属性和边界条件;步骤S7,确定各物理场耦合关系,建立多物理场耦合模型;步骤S8,流场特性分析:包括数值波浪激励场的振幅和频率分析;步骤S9,静电场特性分析:包括球形摩擦纳米发电机的电势分布、电极间的开路电压和等效电容的瞬态分析;步骤S10,球形摩擦纳米发电机等效电路仿真分析:提取静电场分析得到的时域开路电压和等效电容,将其导入电路仿真软件Pspice中进行最优负载匹配分析和输出电能分析。2.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S1中,在数值波浪场中建立消波区域,在消波区域添加一个固体斜面达到消波的目的,数值波浪场的横向尺寸为3-4个波长,纵向尺寸为3-4个波高。3.根据权利要求1所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S3中,物理场包括固体力学物理场、层流物理场、相物理场和静电物理场。4.根据权利要求3所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S4中,从材料库中添加air、water/liquid到空气域和水域的几何模型,再添加球形摩擦纳米发电机所采用的材料。5.根据权利要求3所述的一种用于波浪能俘获的球形摩擦纳米发电机的多物理场耦合建模方法,其特征在于:所述步骤S5中,层流物理场和相物理场使用物理场控制的极细化的自由三角形网格,固体力学物理场和静电物理场使用用户自定义的自由三角形网格,并设置合适的最大单元大小,所有的空气域和水域设置为变形...
【专利技术属性】
技术研发人员:赵波,董树林,王凯峰,张保成,张开升,王强,
申请(专利权)人:中国海洋大学,
类型:发明
国别省市:山东,37
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