水平轴潮流能水轮机波流耦合动力响应特征研究

论文摘要

为解决能源消费持续增长与限制化石能源消费这一社会发展的矛盾,发展可再生能源技术势在必行。可再生能源,相较于传统化石能源,具有对环境影响小,资源分布广泛等优点。海洋潮流能作为海洋可再生能源的一种,通过能量转化装备,将海洋潮流中蕴藏的巨大动能转化为电能加以利用,相比于其他可再生能源形式,具有能量密度大,可预测性强,载荷稳定,储量丰富等优点。水平轴潮流能叶轮装置,叶轮在潮流的带动下旋转,旋转轴与来流方向一致,通过传动装置带动发电机发电。水平轴叶轮具有获能效率高,技术成熟,自启动能力强等优点。经过数十年的发展,水平轴潮流能水轮机单机发电功率已经达到了兆瓦级,被认为是最有希望大规模应用的潮流能发电技术。潮流能水轮机在实际运营中遇到的海洋环境条件十分复杂,由于受到波浪、不均匀潮流、进流湍流等非定常因素的影响,潮流能叶轮上受到的非定常载荷十分显著,但目前为止,对潮流能叶轮非定常载荷的认识还非常有限,预报手段也很匮乏。本论文对潮流能水轮机所遇到的非定常载荷问题,特别是波浪诱导载荷问题,综合运用数值模拟、理论分析和模型实验等手段开展研究,将叶素-动量理论与一阶波流耦合理论相结合,建立了潮流能叶轮的波浪载荷预报模型。本文提出了 1MW,三桨叶基准水平轴潮流能水轮机设计方案。以叶素-动量理论为基础,建立了基于动态尾涡模型的叶片载荷预报方法,在拖曳水池中开展了相关模型实验研究工作,对叶轮与自由液面的相互作用问题,开展了实验观察。研究表明,即使叶尖出水,叶轮上的功率输出仍然不会有明显的损失;但当叶轮浸没深度较小时,可以明显的观察到尾涡兴波现象,波浪成放射状向下游传播,同时叶轮越靠近自由液面,兴波作用越明显。基于叶素-动量模型,结合动态失速模型,动态进流模型,一阶波流耦合模型和单自由度的叶轮转动模型,建立了关于叶片波浪载荷的数值预报方法;在拖曳水池中开展了规则波作用下的叶片波浪载荷实验研究;以规则波下的载荷特征研究为基础,进一步地研究了在随机波浪条件下的叶片载荷响应特征。叶片上的水动力载荷可以认为由动态的升力与阻力,叶片上的直接波浪力,附加质量力,动态尾流力组成。线性小波陡波浪不会对水下叶轮上的平均载荷造成影响,仅会造成载荷的周期性波动。基于长波假设,给出了准静态的叶轮载荷系数,用于载荷的快速估算。对于随机波浪,响应载荷以一阶波浪诱导载荷为主,同时二阶响应特征可以清晰地在响应曲线中被观察到,虽然二阶载荷的能量占比很小,但是高频载荷的峰值频率可能会与叶片的第一阶结构固有频率重合,可能会导致叶片共振。本文提出了化简的叶片结构模型,建立了考虑附加质量的叶片特征值问题的迭代解法;将水轮机的水动力载荷问题与叶片的弹性响应求解相结合,以考虑流固耦合问题,建立了潮流能弹性叶片的载荷与形变预报方法。就叶片上所受到的载荷而言,本文研究认为考虑了流固耦合作用的结果与刚性叶片结果并无明显的区别。提出了一种基于半潜式平台的浮式潮流能水轮机概念设计方案,并对浮式潮流能装置的设计思路进行了讨论;基于叶素-动量理论和浮体在波浪上的运动理论,建立了全耦合的浮式潮流能叶轮的载荷与运动预报方法。叶轮载荷在考虑六自由度浮体运动情况下的两个响应峰值,分别由纵荡运动和纵摇运动诱导;浮体运动诱导载荷与波浪直接载荷存在一定的相位关系,在特定情况下,这两种作用可能相互抵消的。浮体的低频慢漂运动虽然会引起较大的位移,但是由于运动周期很长,运动速度较慢,因此对于叶轮载荷影响非常有限。本论文是国家自然基金面上项目“新型单点系泊浮式潮流能装置的耦合动力性能研究”研究的一部分,综合运用理论分析、数值模拟、物理模型实验等方法,针对浮式潮流能叶轮非定常载荷等亟待解决的科学问题,开展了大量基础性的研究工作,建立了涵盖叶轮直接波浪载荷预报,叶轮结构响应预报,浮体运动性能预报及系泊系统动力学预报的浮式潮流能水轮机预报理论方法,并开发了相应的数值预报程序,相关研究成果对于水平轴潮流能发电装备的理论与技术进步具有重要的意义。

论文目录

摘要

ABSTRACT

主要符号对照表

第一章绪论

1.1 引言

1.2 海洋潮流能资源

1.2.1 海洋潮流能

1.2.2 海洋潮流能资源的特点

1.2.3 我国潮流能资源的分布

1.3 潮流能水轮机的发展

1.3.1 具有代表性的潮流能装备

1.3.2 我国潮流能装备的发展

1.3.3 潮流能装置的经济性

1.4 水平轴潮流能水轮机的载荷研究综述

1.4.1 定常载荷问题

1.4.2 非定常海洋环境条件

1.4.3 波流耦合载荷问题

1.4.4 叶片结构设计与结构响应问题

1.4.5 浮式潮流能装置的耦合动力响应问题

1.4.6 研究现状总结

1.5 本论文主要研究内容及研究路线

1.5.1 研究目标

1.5.2 主要研究内容

1.5.3 本论文创新性

第二章理论基础

2.1 流体力学基础

2.1.1 流动的基本控制方程

2.1.2 无因次分析

2.1.3 水波理论

2.1.4 二维机翼动力学

2.2 水平轴水轮机水动力学

2.2.1 一维动量理论

2.2.2 叶轮的旋转效应

2.2.3 叶素-动量理论

2.3 海洋结构物的动力学基础

2.3.1 速度势的定解问题

2.3.2 浮体在波浪上的运动

2.3.3 系泊缆动力学

2.4 模型实验理论的相似准则

2.5 本章小结

第三章叶轮定常载荷研究

3.1 1MW基准潮流能水轮机叶轮设计

3.2 叶轮定常载荷的计算

3.2.1 升力与阻力系数

3.2.2 动态尾流模型

3.2.3 计算框图

3.3 叶轮定常载荷的实验研究

3.3.1 潮流能水轮机模型实验进展

3.3.2 拖曳水池

3.3.3 水轮机模型

3.3.4 实验装置

3.3.5 实验工况

3.3.6 实验方法与过程

3.4 叶轮定常载荷的特征

3.4.1 叶片上的载荷分布

3.4.2 功率系数与推力系数

3.4.3 与自由液面的相互作用

3.5 本章小结

第四章叶轮波浪载荷研究

4.1 叶片波浪载荷的数值模型

4.1.1 坐标系与计算域

4.1.2 一阶波流耦合问题

4.1.3 波浪载荷成分分析

4.1.4 升力与阻力的波动

4.1.5 动态失速

4.1.6 直接波浪力

4.1.7 动态尾流的影响

4.1.8 附加质量

4.1.9 叶片上所受的流体力

4.1.10 转速的模拟与控制

4.1.11 计算流程框图

4.2 叶片波浪载荷的实验研究

4.2.1 实验设施

4.2.2 校波

4.2.3 实验工况

4.3 规则波作用下的叶片波浪载荷

4.3.1 实验数据处理

4.3.2 叶轮平均载荷系数

4.3.3 诱导载荷与入射波浪

4.3.4 诱导载荷的频域传递函数

4.3.5 诱导载荷的长波近似表达

4.3.6 与自由液面的相互作用及TSR的影响

4.4 随机波浪下的叶片波浪载荷

4.4.1 计算域与边界条件

4.4.2 一阶载荷传递函数

4.4.3 载荷的频域响应特征

4.4.4 能量输出特征

4.4.5 波浪参数敏感性分析

4.5 本章小结

第五章考虑流固耦合问题的叶轮载荷与形变研究

5.1 叶片结构形式与化简

5.2 叶片的固有模态问题

5.2.1 叶片梁模型

5.2.2 梁的形变理论基础

5.2.3 叶片的湿模态问题求解方法

5.2.4 数值方法的理论验证

5.2.5 标准水轮机叶片的固有周期与固有振型

5.3 考虑流固耦合的叶片水动力载荷计算

5.3.1 叶素-动量理论的修正

5.3.2 叶片弹性变形的求解

5.3.3 数值耦合方法

5.3.4 计算域与环境条件

5.4 仅有流作用下的叶片载荷与形变

5.5 规则波作用下的载荷与变形特征

5.6 随机波浪作用下的载荷与变形特征

5.7 本章小结

第六章半潜型浮式潮流能装置及其动力响应特征研究

6.1 浮式潮流能系统

6.1.1 半潜型平台

6.1.2 系泊系统

6.1.3 潮流能水轮机系统

6.2 考虑浮体运动的叶轮载荷研究

6.2.1 坐标系的建立与坐标转换关系

6.2.2 叶轮上的水动力载荷

6.2.3 结构物在波浪上的运动

6.2.4 数值求解

6.2.5 计算域与环境条件

6.2.6 平台的静水衰减曲线

6.2.7 叶轮载荷的动力响应特征

6.2.8 能量输出特性

6.2.9 叶轮位置的敏感性分析

6.2.10 随机波浪敏感性分析

6.3 全耦合的平台动力响应特征

6.3.1 数值计算方法

6.3.2 规则波下的响应

6.4 本章小结

第七章总结与展望

7.1 主要研究工作与结论

7.2 本论文创新性

7.3 进一步工作与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间参与的项目

攻读学位期间申请的专利

文章来源

类型: 博士论文

作者: 郭孝先

导师: 杨建民

关键词: 潮流能,水平轴叶轮,波流耦合,波浪载荷,模型实验研究

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,动力工程,新能源

单位: 上海交通大学

基金: 国家自然基金面上项目“新型单点系泊浮式潮流能装置的耦合动力性能研究”

分类号: P743;TK733

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000550

总页数: 232

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