复杂环境下水平轴潮流能叶轮水动力特性研究

摘要

随着传统化石能源日益枯竭及其带来的环境问题日益突出，潮流能作为一种清洁无污染的可再生能源，已成为国内外研究的热点。漂浮式潮流能发电装置由于具有载体结构形式简单，适用水深范围广，易于维护、移动和回收等优点，越来越受各国专家学者的关注。但是，潮流能叶轮工作的实际海洋环境异常复杂，如自由液面、潮流速度梯度和波浪等环境因素，对叶轮及其载体的水动力特性产生不同程度的影响。特别是波浪的存在，导致漂浮式载体随波浪产生运动响应，而叶轮与载体固定连接，从而引起水轮机叶轮相对来流速度及其水动力特性的变化。目前，关于水平轴潮流能叶轮的水动力研究仍注重于均匀流环境条件下的水动力性能与载荷分析，而对叶轮在上述复杂环境下的水动力问题研究很少。因此，本文针对水平轴叶轮在自由液面及波浪复杂环境下运行时的水动力问题及其计算方法开展理论和试验研究，这不仅为叶轮的水动力性能与载荷预报提供设计理论支持和相关数据，而且对潮流能水轮机结构强度的校核、运行控制策略的设计及载体运动响应的研究，都具有重要的学术意义和应用价值。
　　本研究主要内容包括：⑴在模型试验方面，针对水平轴叶轮，在船模拖曳水池开展了系列模型试验，给出了潮流能水平轴叶轮模型效率与轴向载荷的测试方法，测量了叶轮在不同叶尖浸没水深及不同波浪参数下的效率及轴向载荷。根据试验结果，分析了叶轮的功率特性及载荷特性，得到了叶尖浸没水深及波浪参数对叶轮水动力性能的影响规律，对水平轴叶轮有了更为全面的认知。试验研究为水平轴叶轮水动力学设计提供了大量有价值的信息，同时试验结果也为数值模拟方法的有效性验证提供了可靠的数据。⑵在数值模拟方面，首先通过与试验结果的对比，验证了水平轴叶轮 CFD数值方法的有效性。在此基础上，通过CFX软件的二次开发，形成了一种主轴发生摇荡运动时水轮机叶轮运行的CFD数值模拟方法。该方法的特点是采用滑移网格和动网格相结合的网格运动方式，保持了计算过程中的网格质量，有利于提高计算速度及精度。⑶针对自由液面效应的问题，采用 CFD数值方法，对水平轴叶轮在有自由液面条件下的水动力特性进行了模拟，得到了叶轮能量利用率及轴向载荷系数的变化规律。通过改变不同叶尖浸没水深，得到了叶尖浸没水深对叶轮能量利用率及轴向载荷系数的影响规律。⑷针对单自由度运动时水平轴叶轮运行的水动力问题，基于 CFD方法，对单自由度摇荡（纵荡、纵摇、横荡、横摇、艏摇）运动时水平轴叶轮运行的水动力性能进行了数值模拟，得到了水平轴叶轮在主轴发生单自由度运动时能量利用率及载荷系数的变化规律。通过比较不同摇荡频率、摇荡幅值、转速下的能量利用率及载荷系数，得到摇荡频率、摇荡幅值及速比对能量利用率及载荷系数的影响规律。通过分析叶轮在主轴单自由度摇荡运动时的流场特性，给出摇荡频率、摇荡幅值及转速对叶轮流场特性的影响规律。⑸在水平轴叶轮水动力系数计算方面，提出了一种基于CFD方法和最小二乘法原理的计算方法。将水平轴叶轮主轴单自由度摇荡运动时水动力载荷的CFD计算结果，分解成均匀流水动力、与摇荡速度相关的阻尼力及与摇荡加速度相关的附加质量力，从而得到水平轴叶轮的水动力系数。通过比较不同摇荡频率、摇荡幅值及转速下的水动力系数，得出了摇荡频率、摇荡幅值及速比对叶轮水动力系数的影响规律。⑹针对多自由度运动时水平轴叶轮运行的水动力问题，基于CFD方法，对多自由度摇荡（纵荡和横摇、纵摇和横摇）运动时水平轴叶轮运行的水动力性能进行了数值计算，得到了水平轴叶轮在主轴发生多自由度运动时能量利用率及载荷系数的变化规律。通过计算同频运动和不同频运动下水平轴叶轮的能量利用率及载荷系数，得到了同频运动及不同频运动对能量利用率及载荷的影响规律。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 潮流能装置研究进展

1.3 水平轴水轮机水动力研究进展

1.4 工作内容

1.5 论文创新点

第2章 水平轴叶轮性能及载荷试验研究

2.1 叶轮基本工作原理

2.2 试验目的、原理及测试方法

2.3 试验设备和装置

2.4 试验内容及结果分析

2.5 本章小结

第3章 水平轴叶轮CFD方法及自由液面影响研究

3.1 水平轴叶轮CFD数值求解方法

3.2 水平轴叶轮CFD计算有效性验证

3.3 自由液面对水平轴叶轮水动力特性影响研究

3.4 水平轴叶轮流场特性分析

3.5本章小结

第4章 水平轴叶轮单自由度运动水动力特性数值研究

4.1 水平轴叶轮波浪中运动的水动力模型

4.2 水平轴叶轮纵荡运动水动力特性数值研究

4.3 水平轴叶轮纵摇运动水动力特性数值研究

4.4 水平轴叶轮横荡运动水动力特性数值研究

4.5 水平轴叶轮横摇运动水动力特性数值研究

4.6 水平轴叶轮艏摇运动水动力特性数值研究

4.7本章小结

第5章 水平轴叶轮水动力系数分析

5.1 水动力系数研究现状

5.2 基于CFD方法的海洋结构物水动力系数分析

5.3 水平轴叶轮纵荡条件下水动力系数分析

5.4水平轴叶轮纵摇条件下水动力系数分析

5.5水平轴叶轮横荡条件下水动力系数分析

5.6 水平轴叶轮横摇条件下水动力系数分析

5.7 水平轴叶轮艏摇条件下水动力系数分析

5.8本章小结

第6章 水平轴叶轮多自由度运动水动力特性数值研究

6.1 水平轴叶轮横摇和纵荡耦合运动水动力特性研究

6.2 水平轴叶轮横摇和纵摇耦合运动水动力特性研究

6.3 载荷对比分析

6.4 本章小结

结论

全文总结

研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢