垂直轴主动变桨潮流水轮机水动力性能研究

摘要

潮流能是海洋可再生能源的重要组成部分，具有能量密度大、可预测性好、稳定性好、储量丰富等特点。垂直轴潮流水轮机是获取潮流能的一种重要机械装置，为了获得更高的机械效率，采用变桨形式是一种有效的方法，因此，变桨水轮机性能的理论和实验研究对于潮流能开发利用有着重要的科学意义和经济价值。
　　本文首先介绍了垂直轴变桨水轮机的工作原理和受力特性，并提出应用计算流体动力学软件CFX的二维数值模拟方法，并通过三个典型算例验证了数值模拟的可行性和准确性。然后，应用该数值模拟方法研究对比了主动变桨水轮机与安装角为零度的定桨水轮机载荷和性能的不同。发现变桨水轮在不增加叶片合力的情况下可以有效的提升叶片切向力，不但能降低叶轮总体载荷，还能有效的减小叶片和叶轮载荷的波动幅度。分析其主要原因是变桨水轮机降低了叶片几何攻角的变化范围，在一定程度上延缓了叶片的流动分离，保持了升力，从而提高了水轮机的性能。接着，提出了一种主动变桨垂直轴水轮机的功率损耗计算模型，通过两个算例分析了损耗功率与叶片偏角规律与攻角的关系，发现主动变桨功率损耗与叶片偏角规律变化幅度呈正相关，且变桨功率损耗对应的相位角范围会因着水轮机模型参数不同和速比的不同有着较大差异。最后，通过模型实验，对比了实验数据与数值模拟结果，考虑到实验环境的复杂性，认为误差在可接受了范围内;又分析了主动变桨水轮机的速比、流速和密实度对功率系数、叶片载荷和叶轮载荷的影响，得到了相应的结论。
　　本文采用CFD数值模拟和模型实验两种方法研究了主动变桨水轮机的水动力性能，分析了变桨水轮机比定桨水轮机性能优化的流体动力学原理，总结了影响其性能的因素及其相应的变化规律，所提出的主动变桨功率损耗模型可以有效的评估变桨水轮机在实际应用中需要考虑的输出功率与输入功率的关系。本文的研究成果将为垂直轴水轮机的技术开发提供坚实的理论基础和切实的设计依据，在工程上可推广到垂直轴风机、河流水轮机的设计和应用。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景及意义

1．2装置介绍

1．3变桨水轮机研究现状

1．3．1国外研究现状

1．3．2国内研究现状

1．4本文的研究内容

第2章变桨水轮机工作原理与研究方法

2．1叶片的转动和受力分析

2．2叶轮的转动和受力分析

2．3无量纲参数定义

2．4研究方法

2．4．1流管法

2．4．2涡方法

2．4．3 CFD法

2．4．4实验法

2．5本章小结

第3章变桨潮流水轮机CFD模拟

3．1基本控制方程

3．2湍流模型

3．3网格划分

3．4滑移网格和边界条件

3．5有限体积法和求解器

3．6叶片运动控制的实现

3．7 CFD数值模拟验证

3．7．1定桨水轮机验证

3．7．2变桨水轮机验证

3．8本章小结

第4章主动变桨水轮机水动力性能数值研究

4．1偏角变化规律

4．2变桨水轮机载荷分析

4．2．1叶片载荷

4．2．2叶轮载荷

4．3变桨水轮机性能分析

4．3．1转矩系数

4．3．2功率系数

4．4变桨水轮机水动力性能提升的原因

4．4．1几何攻角

4．4．2流动分离

4．4．3压力云图

4．5变桨损耗分析

4．5．1叶片转动力矩平衡模型

4．5．2算例分析(一)

4．5．3算例分析(二)

4．6本章小结

第5章主动变桨水轮机水动力性能实验研究

5．1实验模型

5．1．1实验场地和机械模型

5．1．2叶片变桨控制机构

5．1．3实验平台上部结构

5．2实验数据处理

5．2．1原始数据

5．2．2数据处理方法

5．3实验结果分析

5．3．1速比的影响

5．3．2流速的影响

5．3．3密实度的影响

5．4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