叶片开孔形式对竖轴水轮机性能影响研究

论文摘要

海洋潮流能作为一种理想的绿色新能源,在能源领域受到了广泛关注。水轮机是潮流能发电装置能量获取与转换的关键部分,会直接影响到发电效能。而水轮机叶片的水动力性能直接关系到其能量利用率,因此更加高效、可靠、适用的叶片有待设计研发。本文以竖轴三叶片潮流能水轮机为研究对象,研究了不同开孔形式叶片对竖轴潮流能水轮机的水动力性能影响。主要研究内容为:（1）设计竖轴潮流能水轮机原始翼型叶片的基本形式;利用STAR-CCM+软件建立水轮机三维数值模型,设定了五个叶尖速比,验证了数值模拟的合理性;（2）通过数值模拟得到水轮机在各叶尖速比下的力矩曲线、速度云图和压力云图,探索水轮机平均输出功率随叶尖速比变化情况,并和试验结果进行比对,分析造成差异原因;（3）以原始翼型叶片为基础,设计了新型开孔形式叶片,开孔直接贯穿叶片,开孔直径取4 mm时,开孔距离占叶片弦长的比值取10%、20%、30%,分别记作工况1、工况2和工况3;开孔直径取3 mm、2 mm,分别记作工况4和工况5;定义开孔方向与叶片弦长方向夹角为开孔角度,取60°、90°、120°、150°,分别记作工况6、工况7、工况8和工况9;建立各工况下的三维水动力计算模型,使用STARCCM+软件研究不同开孔形式叶片对竖轴水轮机水动力性能的影响,对水轮机不同开孔形式叶片的数值模拟结果进行了比较,得到最优结果下的水轮机叶片开孔形式。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 理论研究

1.2.2 模型试验

1.3 本文研究的主要内容

第二章潮流能水轮机水动力学基本理论

2.1 水轮机的工作原理及分类

2.2 水轮机叶片翼型基础理论

2.3 竖轴潮流能水轮机水动力学分析

2.3.1 水轮机叶片受力与运动分析

2.3.2 叶片攻角变化分析

2.4 竖轴水轮机性能影响参数分析

2.5 竖轴水轮机结构参数设计

2.6 本章小结

第三章竖轴潮流能水轮机数值模拟研究

3.1 基本方法

3.1.1 控制方程

3.1.2 湍流模型

3.2 可信度评估

3.3 主翼模型创建

3.4 计算域与边界条件

3.4.1 计算域

3.4.2 边界条件

3.5 网格划分

3.6 数值计算合理性验证

3.6.1 湍流模型

3.6.2 时间步长

3.6.3 网格数量

3.7 原始翼型叶片数值模拟结果分析

3.7.1 各叶尖速比下的力矩曲线

3.7.2 典型方位角下的速度云图

3.7.3 典型方位角下的压力云图

3.7.4 不同叶尖速比下的平均输出功率

3.8 数值模拟结果与试验结果比对

3.9 本章小结

第四章竖轴水轮机叶片开孔位置研究

4.1 开孔位置设计

4.2 不同开孔位置叶片的水轮机数值模拟研究

4.2.1 叶片开孔中心位置在10%C 下的计算结果

4.2.2 叶片开孔中心位置在20%C 下的计算结果

4.2.3 叶片开孔中心位置在30%C 下的计算结果

4.2.4 三种开孔位置计算结果的比对分析

4.3 本章小结

第五章竖轴水轮机叶片开孔大小研究

5.1 开孔大小设计

5.2 不同孔径大小叶片的水轮机数值模拟研究

5.2.1 叶片开孔直径为3 mm时的计算结果

5.2.2 叶片开孔直径为2 mm时的计算结果

5.2.3 三种开孔大小计算结果的比对分析

5.3 本章小结

第六章竖轴水轮机叶片开孔角度研究

6.1 开孔角度设计

6.2 不同开孔角度叶片的水轮机数值模拟研究

6.2.1 叶片开孔角度为60°时的计算结果

6.2.2 叶片开孔角度为90°时的计算结果

6.2.3 叶片开孔角度为120°时的计算结果

6.2.4 叶片开孔角度为150°时的计算结果

6.2.5 五种开孔角度计算结果的比对分析

6.3 本章小结

第七章总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周建瑜

导师: 谢永和,王伟

关键词: 竖轴水轮机,数值模拟,叶片开孔,开孔角度,能量利用率

来源: 浙江海洋大学

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: 浙江海洋大学

分类号: TM612;P743

DOI: 10.27747/d.cnki.gzjhy.2019.000384

总页数: 78

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