多种工况下水平轴水轮机水动力性能研究

摘要

随着传统化石能源的消耗和环境污染问题逐渐加剧，开发利用可再生能源成为人类社会可持续发展的必由之路。潮流能因其可预报性强、能量密度大的特点逐渐成为国内外研究的热点。但潮流能发电装置所处的实际海洋环境非常复杂，剪切流、波浪、自由液面等各种因素都会对水平轴水轮机及其载体的水动力性能产生重要影响。目前对于水平轴水轮机的水动力研究多是在均匀流的理想情况下进行的，没有考虑剪切流的影响。而对于水平轴水轮机潮流能发电装置的载体水动力研究没有考虑水轮机和载体之间的耦合作用，本文利用CFD方法对水平轴水轮机在均匀流和剪切流中的水动力性能和流场进行了分析，同时对波浪作用下载体和水轮机的三个自由度（纵荡、纵摇、垂荡）耦合运动响应和水动力性能进行了研究，为水平轴水轮机潮流能发电装置的设计和建造提供技术支持。 本文首先介绍了CFD方法进行水平轴水轮机数值模拟的基本理论;然后利用STAR-CCM+软件计算了均匀流中水平轴水轮机的能量利用率和轴向载荷系数，并与试验结果进行对比，验证了数值模拟方法的可靠性。其次计算和分析了均匀流中不同速比下水平轴水轮机的水动力性能和尾流场特性，发现速比对水平轴水轮机的水动力性能和流场具有明显影响;然后研究叶片不同展向位置处的升力阻力系数，并与二维理论计算结果进行了对比。再次，计算分析了剪切流下水平轴水轮机水动力性能和尾流场特性，揭示了剪切流对两者的影响规律;同时给出了叶片展向不同位置升阻力系数和攻角变化曲线。最后利用CFD方法对水轮机、载体和系泊系统三者之间的耦合运动进行了数值模拟，揭示了不同波长、波幅和水轮机转速对载体和水轮机运动响应、系泊拉力和水轮机能量利用率的影响规律;然后对尾流场和波面进行了分析，发现波浪中水轮机的尾流场明显缩短。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2潮流能发电装置研究项目概况

1．2．1国外潮流能发电装置实例

1．2．2国内潮流能发电实例

1．3水平轴水轮机水动力研究进展

1．4剪切流和波浪对水轮机影响研究进展

1．5工作内容

第2章CFD数值模拟方法和有效性验证

2．1 CFD数值模拟方法

2．1．1流体力学基本控制方程

2．1．2湍流模型

2．1．3近壁面模型

2．1．4离散求解方法

2．2 STAR-CCM+数值模拟有效性验证

2．2．1 STAR-CCM+软件简介

2．2．2计算模型

2．2．3网格与边界条件

2．2．4计算结果

2．3本章小结

第3章均匀流中水平轴水轮机水动力性能

3．1水平轴水轮机水动力性能分析

3．1．1坐标系和无量纲化参数

3．1．2计算结果分析

3．2水平轴水轮机流场特性

3．2．1水平轴水轮机尾流场分析

3．2．2叶片背流面极限流线和表面压力

3．3水轮机叶片升阻力特性

3．4本章小结

第4章剪切流对水平轴水轮机水动力性能影响

4．1剪切流模型

4．2剪切流中水平轴水轮机水动力特性

4．2．1能量利用率和轴向载荷系数

4．2．2弯矩系数特性

4．2．3侧向力系数特性

4．3剪切流流场特性分析

4．3．1叶片表面压力和极限流线分析

4．3．2流场速度分布

4．3．3流场涡量分布

4．4叶片升阻力性能

4．5本章小结

第5章波浪对水平轴水轮机水动力性能影响

5．1计算模型、数值波浪水池和系泊设计

5．1．1计算模型

5．1．2数值波浪水池

5．1．3系泊设计

5．2波浪参数对水平轴水轮机运动响应和水动力性能影响

5．2．1波幅和波长对纵摇运动的影响

5．2．2波幅和波长对纵荡运动的影响

5．2．3波幅和波长对垂荡运动的影响

5．2．4波幅和波长对能量利用率的影响

5．2．5波幅和波长对系泊拉力的影响

5．3转速对水平轴水轮机运动响应的影晌

5．3．1转速对纵摇的影响

5．3．2转速对纵荡的影响

5．3．3转速对垂荡的影响

5．3．4转速对系泊拉力的影响

5．4流场分析

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢