基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置水动力性能试验研究与数值预报

摘要

世界范围内，化石能源日趋紧张，环境污染不断加剧，潮流能作为一种清洁无污染的绿色可再生能源，具有储量大、分布广、可预测性强、环境污染小等诸多优点，开发利用潮流能成为缓解能源紧张、降低环境污染的有效途径。
　　潮流能开发利用的主要装置为水轮机，水轮机搭载在载体上，构成发电系统，将潮流动能转换为电能。目前，潮流发电装置的分类很多，各自具有独特的应用背景和优势。按载体分类，可以分为桩基础式、座底式和漂浮式，按水轮机分类主要分为水平轴水轮机式和竖轴水轮机式。其中，基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置融合了竖轴水轮机和漂浮式载体的特点，具有结构简单、生产制造技术难度小、成本低、维护检修和管理费用低、适应流向变化、对吃水要求低等优点，近年来成为研究的热点，并在我国和意大利等国有实验示范装置运行。但是，现阶段对该类潮流发电装置的研究多集中在对竖轴水轮机、浮式载体和系泊系统的研究，对竖轴水轮机、浮式载体和系泊系统耦合作用下，潮流发电装置的性能预报研究较少，而这却是制约该类潮流发电装置设计、实验示范研究和工程应用的关键。为此，本文对基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置开展其水动力性能研究，建立该类潮流发电装置水动力性能的试验预报方法、平台和数值预报方法，为该类装置的研究和工程应用提供理论基础和技术支撑。
　　在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置系泊试验方法和设计方面，本文首先根据发电装置原型、船模拖曳水池情况确定模型试验的缩尺比，对双体船模型和水轮机模型开展连接设计研究，对发电装置模型重心及转动惯量的测量方法进行研究，设计开发模型重心及转动惯量测量与调整装置，测量和调整模型的重心及转动惯量。然后，开展系泊模拟研究，分别开展系泊点和锚链的模拟研究，通过系泊架实现系泊点的模拟，通过系缆实现锚链的模拟。接着，选配系泊试验研究的仪器和设备，开展测量与布置方案研究，并介绍系泊架的安装和系缆预张力的调节方法，给出试验工况，最后形成基于船模拖曳水池的漂浮式潮流发电装置系泊试验平台和试验方法。
　　在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置系泊试验研究方面，本文首先研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置的自由衰减特性和系泊衰减特性，分别测量组合模型在自由状态下的横摇衰减情况和纵摇衰减情况，组合模型在系泊状态下的横摇衰减情况、纵摇衰减情况和艏摇衰减情况，并对各自的衰减情况进行分析。然后，研究装置模型在均匀流下的系缆拉力响应特性、组合模型的姿态响应特性，并介绍试验中的一些试验现象，对试验现象进行分析。接着，开展均匀流下水轮机转与不转时的比较试验研究，对两种状态下系缆拉力、组合模型的姿态响应和试验模型的侧向位移进行比较分析，给出研究结论。接着又进行规则波环境下系泊试验研究，研究波高和频率对模型系缆拉力和运动的影响。最后，研究装置在不规则波环境下的系缆拉力情况和姿态响应情况，并对试验结果进行分析。
　　在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置总体性能研究的基本理论方面，文章首先给出竖轴水轮机流载荷的数值模拟方法，给出数值模拟的基本控制方程、RANS方程、湍流模型和近壁区处理方法、离散方法和自由变偏角的模拟方法。然后，给出了基于三维势流理论的频域分析理论，包括坐标系的定义，线性速度、一阶波浪力、平均波浪漂移力和二阶波浪力传递函数矩阵的求解。最后，给出装置水动力性能分析的时域耦合分析理论，建立了时域耦合运动方程，给出流力和波浪力的确定方法，给出水轮机载荷的耦合处理方法。
　　在基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置总体性能研究方面，文章首先根据第四章的基本理论方法，数值模拟水轮机的流载荷情况，并对水轮机受力进行数据拟合，计算水轮机旋转产生的等效附加质量和阻尼。然后，对漂浮式潮流发电装置的浮式载体进行频域辐射、绕射分析，最后，考虑水轮机转动的影响，对发电装置的水动力性能进行了耦合计算研究，预报发电装置的锚链张力和运动响应情况，并选择典型工况与试验结果进行比较，验证本文数值预报方法的有效性。
　　在带浮筒的漂浮式潮流发电装置总体性能研究方面，首先设计了浮筒的结构形式和锚链连接，然后，利用第四章的频域分析基本理论和时域耦合分析基本理论，对带浮筒的漂浮式潮流发电装置进行时域耦合计算研究，预报发电装置锚链张力和运动响应情况，分析浮筒对装置性能的影响。

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第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 潮流及潮流能介绍

1.3 基于竖轴水轮机的漂浮式潮流发电装置开发现状

1.4 竖轴水轮机的开发与研究现状

1.5 漂浮式载体的开发现状

1.6 系泊研究概况

1.7 论文主要工作内容

1.8 论文创新点

第2章 漂浮式潮流发电装置系泊试验方法与设计

2.1 相似条件

2.2 试验模型

2.3 重心及转动惯量的测量与调整

2.4 系泊模拟

2.5 仪器设备

2.6 测量与布置方案

2.7 系泊架的安装与系缆预张力调节

2.8 试验工况

2.9 本章小结

第3章 漂浮式潮流能发电装置系泊试验研究

3.1 组合模型衰减特性及分析

3.2 均匀流条件下系泊试验研究及分析

3.3 均匀流条件下水轮机转与不转时的比较试验研究

3.4 规则波环境下的系泊试验研究及分析

3.5 不规则波环境下的系泊试验研究及分析

3.6 本章小结

第4章 漂浮式潮流发电装置总体性能研究的基本理论

4.1 水轮机流力数值模拟

4.2 频域分析理论

4.3 锚链静力分析基本理论

4.4 时域耦合分析理论

4.5 本章小结

第5章 漂浮式潮流发电装置总体性能研究

5.1 水轮机流载荷数值模拟

5.2 频域水动力分析

5.3 系泊方案及系泊系统受力分析

5.4 时域耦合计算结果及分析

5.5 本章小结

第6章 带浮筒的漂浮式潮流发电装置总体性能研究

6.1 浮筒及其布置

6.2 锚链

6.3 时域耦合计算及分析

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢