叶片开孔密度对竖轴水轮机的水动力性能影响研究

论文摘要

在利用潮流能方面,水轮机是最主要的能量转换装置,水轮机的结构设计最终将影响对潮流能的利用效率。对于垂直轴水轮机,叶片形式对水轮机性能有着重要影响。本文主要探导了垂直轴式水轮机叶片表面不同开孔密度对水轮机水动力性能的影响。具体研究内容如下:(1)简述了水轮机发展前景和国内外研究现状,进行了水轮机叶片的受力分析,定义了相关的无量纲参数,探导了开孔叶片水动力性能的CFD方法。(2)研究了叶片开孔密度对水轮机水动力性能的影响。(a)在开孔形式一致情况下,设计了四种水平截面不同的开孔形式,其中第一种和第二种开孔形式主要是改变了单个孔的孔径,研究了开孔前后的水动力性能差异。研究后发现第一种开孔形式对水轮机的影响较大,第二种开孔形式影响程度相对较小;为了便于比对选择以第一种开孔形式作为原型,在展长方向上分别布置了2、4、6、8个孔,研究了单列孔上不同孔密度所产生的影响。(b)在每列孔上的孔数量都是4个的情况下,设计了1列孔、2列孔和3列孔,研究了孔列数改变对水动力性能所产生的影响。通过数值模拟研究,得到了各个开孔模型水轮机的扭矩随方位角变化曲线,能量捕获系数C_P随叶尖速比的变化规律。(3)开展了拖曳水池实验研究。通过水池实验研究,对不开孔叶片的实验结果与数值模拟结果进行了比对,以此来验证数值模拟的可靠性。比对结果表明:数值模拟方法用来研究开孔对水轮机水动力性能影响是合理的。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 水轮机发展现状及前景

1.2.1 水轮机分类

1.2.2 国内水轮机发展现状

1.2.3 国外水轮机发展现状

1.3 垂直轴水轮机研究方法现状

1.4 本文主要研究内容

1.4.1 本文主要工作内容

1.4.2 创新点

第二章垂直轴水轮机工作原理及研究方法

2.1 水轮机叶片的受力分析

2.2 参数无量纲化的定义

2.3 CFD计算方法

2.4 STAR-CCM+计算软件

2.5 本章小结

第三章垂直轴水轮机叶片设计及CFD模拟方法

3.1 垂直轴水轮机叶片设计

3.2 垂直轴水轮机的CFD基础理论

3.2.1 基本控制方程

3.3 湍流模型的选择

3.3.1 Realizable k-ε湍流模型

3.3.2 SST k-ω湍流模型

3.3.3 湍流模型比较

3.4 滑移网格模型

3.5 数值模拟网格依赖性验证

3.5.1 数值模拟模型说明

3.5.2 网格收敛性验证

3.6 本章小结

第四章实验与数值模拟的对比验证

4.1 引言

4.2 实验方式与实验结果

4.3 数值模拟与实验数据比较

4.3.1 数值模拟结果

4.3.2 数值模拟有效性验证

4.4 本章小结

第五章叶片开孔对水轮机水动力性能研究

5.1 引言

5.2 网格划分

5.3 数值模拟相关参数设置

5.4 第一种开孔形式叶片对水轮机水动力性能影响

5.5 第二种开孔形式叶片对水轮机水动力性能影响

5.6 本章小结

第六章开孔密度对水轮机水动力性能影响研究

6.1 引言

6.2 数值模拟说明

6.2.1 网格划分

6.2.2 求解器参数设置

6.3 单列孔上不同孔密度对水轮机水动力性能影响

6.4 多列孔对水轮机水动力性能影响

6.5 本章小结

第七章总结与展望

7.1 结论

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: 马鸿

导师: 王伟,谢永和

关键词: 垂直轴水轮机,叶片,开孔密度,数值模拟,实验研究

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: P743;TM612

DOI: 10.27747/d.cnki.gzjhy.2019.000382

总页数: 73

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