竖轴双转子半潜式潮流能发电装置设计及性能分析

摘要

潮流能作为一种海洋可再生能源，因为其具有清洁性、分布广、可预测性强的优点，近年来成为国内外广泛研究的热点。为了提高整体潮流能开发能力，以及推进商业化发展，大型潮流能开发是未来发展的趋势。然而就目前的研究现状而言，基本都是以小型化利用为主，而对大型潮流能利用研究甚少。本文基于目前的研究成果，提出一种竖轴双转子半潜式潮流能发电装置的总体设计，可以实现潮流能的大型化利用。采用了计算流体力学CFD和三维势流理论相结合的方法，分析装置在复杂海洋环境载荷下的时域耦合运动响应。本文可为大型漂浮式潮流能装置的开发设计提供理论和方法支持。
　　本文首先确定设计要求、设计海况及参考规范，根据经验公式确定满足600kW功率的水轮机主尺度，并采用新型悬臂式水轮机。接下来，根据水轮机主尺度选择合适的半潜式载体形式及主尺度，并确定合适的系泊系统形式和布置方式。
　　然后，基于计算流体力学CFD方法，研究振荡运动下水轮机的载荷大小。通过ICEM建立水轮机模型，使用CFX软件进行计算。分别模拟了单转子、双转子水轮机均匀流运动及单转子、双转子水轮机振荡运动下的受力对比分析及流场分析。特别是在振荡运动下的水轮机载荷，就不同的振荡频率、振荡幅值及速比进行了对比研究，得出的结果可直接用于装置的时域耦合计算。
　　最后，基于三维势流理论，研究装置系统的水动力性能。通过三维频域势流理论对装置进行频域分析，求解载体的运动响应RAO、附加质量和辐射阻尼;根据具体的环境参数分别计算风、流载荷;将水轮机CFD计算结果进行拟合，求解水轮机的水动力系数;对AQWA软件进行二次开发，将水轮机的附加质量、辐射阻尼以及实时变化的激励力加载到模型上，进行时域耦合计算，在四种典型工况下，其计算结果均表明该装置具有良好的性能，安全可靠。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2潮流能发电装置研究进展

1．2．1国外潮流能发电装置发展现状

1．2．2国内潮流能发电装置发展现状

1．3潮流能利用相关水动力研究进展

1．3．1潮流能水轮机的水动力研究进展

1．3．2潮流能浮式载体的水动力研究进展

1．4本文主要工作内容

第2章海上浮式潮流能装置研究基本理论

2．1概述

2．2竖轴水轮机运动分析理论

2．2．1叶片运动和受力分析

2．2．2叶轮运动和受力分析

2．2．3无因次分析

2．3波浪理论

2．3．1关键要素

2．3．2基本方程

2．3．3线性波浪理论(Airy波)

2．3．4非线性波浪理论

2．3．5不同波浪理论的适用范围

2．4．1小尺度结构物

2．4．2大尺度结构物

2．4．3计算方法

2．5海流载荷计算

2．6本章小结

第3章半潜式竖轴双转子潮流能装置基础设计

3．1半潜式浮式基础的设计要求

3．1．1设计要求

3．1．2设计环境条件

3．1．3参考规范

3．2水轮机的设计

3．3半潜式浮式基础的设计

3．4系泊系统设计

3．4．1系泊形式的选择

3．4．2系泊系统的布置

3．5本章小结

第4章潮流能装置的水轮机水动力性能计算

4．1 CFD理论

4．1．1基本控制方程

4．1．2雷诺时均N-S方程

4．1．3湍流模型

4．1．4近壁区处理方法

4．1．5有限体积法

4．2 CFD计算有效性验证

4．3单转子水轮机无振荡运动

4．4单转子水轮机振荡运动

4．4．1模型建立

4．4．2叶尖速比的影响

4．4．3振荡幅值的影响

4．4．4振荡频率的影响

4．5双转子水轮机无振荡运动

4．6双转子水轮机振荡运动

4．6．1模型建立

4．6．2叶尖速比的影响

4．6．3振荡幅值的影响

4．6．4振荡频率的影响

4．7本章小结

第5章半潜式潮流发电装置耦合运动响应计算分析

5．1载体的时域计算方法

5．2载体水动力分析

5．2．1模型建立及坐标系

5．2．2载体的运动响应

5．2．3附加质量和辐射阻尼

5．3环境载荷

5．3．1风载荷

5．3．2流载荷

5．4水轮机载荷拟合

5．4．1拟合方法

5．4．2拟合结果

5．5运动响应预报及分析

5．5．1工况一

5．5．2工况二

5．5．3工况三

5．5．4工况四

5．6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