复杂海况下竖轴水轮机能量捕获效率研究

摘要

目前国内水轮机发电机组大多处于海上试验阶段，浮式平台支撑结构形式以其经济优势和方便维护等特点成为现阶段国内水轮机发电机组最普遍采用的支撑结构方式。因此对浮式水轮机的性能研究，以及探究影响其性能的影响因素是研究人员目前需要解决的问题。本文以2*150KW三体船漂浮式结构平台支撑的直叶片五悬臂竖轴潮流能发电水轮机为研究对象，对其在复杂海况下水轮机能量捕获效率进行研究。
　　首先在理论层面上，引入流管法—双多流管模型来建立水轮机叶轮盘面的理论推导模型，在积分微元的过程中，把盘面分割成无数流管通道，整个盘面又被看作是来流先后通过的上下两个盘面，分别对叶轮盘面的受力运动分析进行研究，从而引入诱导速度的计算，得到水轮机静力下的性能预测。从基础力学理论上估测水轮机在定常流下的性能，同时为数值模拟分析提供理论参考。
　　之后研究在不考虑浮式平台的情况下，水轮机发电装置叶轮流场在不同流速和叶尖速比工况下的水动力性能。运用RANS方程下的湍流模型，考虑壁面影响，用ANYSIS-FLUENT模拟水轮机在非定常状态下瞬态的受力和转矩。对不同来流和不同叶尖速比工况下的水轮机叶轮非定常流场进行分析。分析比较不同工况下水轮机在流场中的能量捕获效率。
　　然后研究浮式平台在复杂海况下的运动情况。建立了三维势流理论为基础的平台运动学和动力学方程，通过简化UG模型，建立平台的运动结构模型并添加合理约束，用AQWA进行平台的运动学响应频域分析，基于频域分析响应的结果作为初值的基础上提出时域分析方法，分别模拟在不同风浪载荷，不同频率和浪相角下，载体的运动响应。
　　最后通过对复杂海况数据进行处理分析，选出计算的工作海况和极限海况条件，结合环境载荷数据，用UDF编译给水轮机叶轮来定义水轮机的运动。给出算例，预测水轮机受单自由度（纵摇，纵荡）波动状态下的能量捕获效率变化。
　　结果表明，CFD数值模拟方法求得的水轮机能量捕获效率要略大于理论流管法。在复杂环境载荷的作用下，水轮机平台产生晃动，其中纵摇的响应幅值最大，其次是横摇、纵荡和横荡。纵荡运动对水轮机能量捕获影响不大;纵摇运动对水轮机的能量捕获产生小幅度的增大效果。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1本文研究意义及目的

1．2潮流能竖轴水轮机发电装置国内外研究现状

1．2．1国外竖轴水轮机的研究现状

1．2．2国内竖轴水轮机的研究现状

1．3水轮机流体动力学研究现状

1．3．1研究方法

1．3．2计算流体力学方法

1．4漂浮平台水动力学研究

1．5本文主要研究内容

第2章竖轴潮流能水轮机特性理论分析

2．1叶片分析

2．1．1翼型分析

2．1．2升阻力系数

2．2叶轮转子运动分析与动力分析

2．2．1叶片运动分析

2．2．2叶素分析

2．2．3转子受力分析

2．3水轮机特性参数

2．3．1叶轮的叶尖速比

2．3．2水轮机性能系数

2．3．3水轮机能量捕获效率

2．4水轮机理论分析模型

2．4．1动量定理

2．4．2单-多流管模型

2．4．3双-多流管模型

2．4．4诱导速度求解

2．5本章小结

第3章复杂海况下竖轴水轮机叶轮流场分析

3．1引言

3．2流场仿真基本理论

3．2．1基本方程

3．2．2湍流方程

3．3水轮机定常运动数值分析

3．3．1计算模型

3．3．2基于ICEM网格划分

3．3．3参数设置

3．3．4仿真及结果分析

3．4水轮机非定常运动数值分析

3．4．1 UDF编译技术

3．4．2数值求解

3．4．3仿真实验与结果

3．5本章小结

第4章复杂海况下竖轴水轮机浮式平台水动力学分析

4．1 AQWA软件介绍

4．2水轮机浮式平台方案

4．3频域势流理论及其控制方程

4．3．1基本假设

4．3．2控制方程及边界条件

4．3．3三维势流理论

4．4平台动力学仿真

4．4．1平台模型建立

4．4．2响应求解设置

4．4．3平台频域响应

4．4．4平台时域分析

4．5本章小结

第5章晃荡运动对水轮机的性能影响

5．1浮式平台与水轮机相对运动分析

5．1．1坐标系

5．1．2相对运动方程

5．2复杂海况

5．2．1风载荷

5．2．2浪载荷

5．2．3流载荷

5．3数值计算

5．4结果分析

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