浮式水平轴潮流能涡轮叶片设计及水动力特性研究

论文摘要

随着人类社会的进步,大量可使用的传统能源逐渐枯竭。全世界各国开始加大力度对可再生能源的开发研究与利用。潮流能一种可预测,蕴藏量大的可再生能源,引起世界各国的广泛关注。浮式水平轴潮流能发电装置具有结构简易,适用于各种海深,便于移动维修等特点,受到世界各国新能源学者的重视。涡轮叶片是潮流能装置的核心部件,直接影响潮流能装置的发电功率和工作寿命。因此,研究浮式水平轴潮流能发电装置在不同工况下对涡轮叶片的性能影响,对涡轮叶片结构设计和安装使用都具有重要参考意义。本文主要研究为设计单向高效的涡轮叶片和研究涡轮叶片在不同偏航角和自由液面水深下的水动力性能变化规律。本文首先研究了涡轮叶片设计理论,运用翼型理论和叶素动量理论。采用Wilson法对涡轮叶片的各参数进行设计。保证各叶素在设计条件下具有最佳效率,考虑结构稳定性对涡轮叶片的参数进行修正。运用坐标变换得到各叶素空间坐标运用三维建模软件建立涡轮叶片三维模型。其次,通过CFD方法,运用STAR-CCM+建立涡轮叶片的数值计算模型,通过试验数据与计算结果进行比较对建立的数值模型进行有效性验证。最后,建立涡轮叶片在理想工况、偏航流、自由液面条件下的数值模型。分析在不同工况下对涡轮叶片水动力性能影响规律。在理想状况下,研究在不同尖速比条件下涡轮叶片与BDA对称叶片的水动性能并进行比较分析;偏流条件和自由液面条件下获能效率,载荷效率和涡轮叶片压力特性和流场特性。本文运用S825翼型设计了单向涡轮叶片,运用验证CFD方法对S825涡轮叶片进行水动力性能研究。计算结果显示S825涡轮叶片获能效率为42.3%较BDA对称翼型效率提升了3.8%。偏流条件下,随着偏航角变大,涡轮叶片的获能效率和轴向载荷系数逐渐变小,效率和载荷波动越大。自由液面条件下,随着水深加深自由液面对涡轮叶片水动力性能影响越小。在水深为叶轮直径D时对涡轮叶片的水动力性能几乎没有影响。瞬时的获能效率和载荷系数波动减小。

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摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题来源

1.2 课题研究背景及意义

1.3 潮流能技术国内外研究现状

1.3.1 水平轴潮流能涡轮机国外研究现状

1.3.2 水平轴潮流能涡轮叶片水动力研究现状

1.3.3 水平轴潮流能涡轮叶片设计现状

1.4 本文主要研究内容

第2章水平轴涡轮叶片设计

2.1 翼型选型与性能研究

2.1.1 翼型流体性能

2.1.2 设计翼型选择

2.1.3 翼型数值模型验证

2.1.4 修改S825翼型性能分析

2.2 涡轮叶片设计基本理论

2.2.1 涡轮叶片特性参数

2.2.2 贝兹原理

2.2.3 动量理论

2.2.4 叶素理论

2.2.5 叶素动量理论

2.3 涡轮叶片设计

2.3.1 涡轮叶片设计方法

2.3.2 涡轮叶片各参数确定

2.3.3 涡轮叶片诱导因子计算

2.3.4 涡轮叶片弦长和扭角计算

2.3.5 涡轮叶片弦长和扭角修正

2.3.6 三维坐标变换

2.3.7 涡轮叶片三维模型建立

2.4 本章小结

第3章涡轮叶片CFD方法和验证

3.1 水平轴涡轮叶片CFD数值求解方法

3.1.1 基本控制方程

3.1.2 湍流模型选择

3.1.3 近壁面处理

3.2 涡轮叶片CFD计算模型建立

3.2.1 涡轮叶片验证模型

3.2.2 流域网格划分

3.2.3 边界条件设置

3.3 数值与试验结果对比

3.4 数值模拟现象分析

3.4.1 叶片表面压力分布

3.4.2 流场速度分布

3.5 本章小结

第4章理想情况下涡轮叶片性能研究

4.1 涡轮叶片的性能特性

4.2 涡轮叶片表面压力分布

4.3 涡轮叶片周围速度分布

4.4 涡轮叶片流场速度分布

4.5 本章小结

第5章复杂环境涡轮叶片水动力性能

5.1 偏航流下涡轮叶片水动力性能研究

5.1.1 偏航角数值模型建立

5.1.2 偏航角计算结果分析

5.1.3 偏航角叶片压力特性

5.1.4 偏航角流场特性

5.2 自由液面下涡轮叶片水动力性能

5.2.1 自由液面数学模型建立

5.2.2 自由液面叶片数值计算结果

5.2.3 自由液面叶片表面压力分布

5.2.4 自由液面叶片流场特性

5.2.5 自由液面流场分布

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 严城

导师: 王大政

关键词: 潮流能发电,涡轮叶片,偏航角,自由液面

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家自然基金项目《潮流能转换流场特性及系统耦合动力学理论与试验研究》代号U1706227

分类号: P743;TM612

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005793

总页数: 79

文件大小: 4393k

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