混合式垂直轴潮流能水轮机水动力性能研究

摘要

海洋能作为可再生能源重要部分，具有储量大、对环境影响小等优点。潮流能作为海洋能一种，能量密度高，应用前景广阔。与水平轴潮流能水轮机比较，垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、易于制造、不受潮流流向影响等优点。但垂直轴水轮机也存在一些问题，主要有自启动差、低转速时工作效率低、工作时流场周期性非稳态变化等缺点，影响其规模化与商业化发展。因此，本文在H型水轮机的内部增加一层S式水轮机，形成升力一阻力型混合式垂直轴水轮机，应用CFD数值模拟方法，研究这种新型混合式垂直轴水轮机的性能。
　　本文首先对S式水轮机与H型水轮机进行建立运动方程与受力分析，进行二维数值模拟，并对数值模拟的正确性进行验证。研究S式水轮机的重叠比与叶尖速比对S式水轮机的水动力性能影响。研究结果表明S式水轮机适合在低叶尖速比情况下工作，并且力矩系数与叶尖速比近似成线性关系，存在一个最优叶尖速比使S式水轮机的功率系数达到最大。带有重叠比的S式水轮机能够有效的减少甚至完全消除水轮机在运动过程中的负力矩的情况，从而改善S式水轮机水动力性能。此外，研究叶尖速比对H型水轮机的水动力性能影响。研究结果表明H型水轮机功率系数与叶尖速比近似关系成抛物线，存在一个最佳叶尖速比使水轮机的功率系数达到最大;与S式水轮机相比，H型水轮机适合于在较高叶尖速比的工况下工作，最佳功率系数更优。
　　最后，本文对混合式垂直轴水轮机进行水动力学分析与自启性分析，主要研究混合式垂直轴水轮机几何参数（内外径比、半径比）对水动力性能与自启性影响，并与H型水轮机进行分析比较。研究结果表明，混合式水轮机提高了启动力矩，有效地解决了H型水轮机自启性较差的问题。内层S式水轮机与外层H型水轮机的相互干扰作用，从而一定程度降低混合式水轮机的功率系数。从而，为混合式垂直轴水轮机的设计与优化提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 垂直轴潮流能获取装置的研究进展

1．2．1 国外垂直轴潮流能获取装置的研究现状

1．2．2 国内垂直轴潮流能获取装置的研究现状

1．3 垂直轴水轮机水动力学性能研究现状

1．3．1 流管法

1．3．2 涡面元法

1．3．3 计算流体力学法

1．4 本文的研究内容

第2章 S式水轮机水动力性能研究

2．1 S式水轮机运动分析及受力分析

2．2 CFD基本理论

2．2．1 控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 UDF函数

2．3 数值模拟方法与验证

2．3．1 S式水轮机网格划分及边界条件

2．3．2 S式水轮机数值计算与验证

2．4 S式水轮机流场特性

2．5 叶尖速比对S式水轮机的影响分析

2．6 重叠比对S式水轮机的影响分析

2．7 本章小结

第3章 H型水轮机水动力性能研究

3．1 H型水轮机运动分析及受力分析

3．2 H型水轮机数值模拟方法与验证

3．2．1 H型水轮机网格划分及边界条件

3．2．2 H型水轮机数值计算与验证

3．3 H型水轮机水动力学分析

3．4 本章小结

第4章 混合式垂直轴水轮机水动力学性能研究

4．1 混合式垂直轴水轮机运动及受力分析

4．2 混合式垂直轴水轮机水动力学分析

4．2．1 混合式垂直轴水轮机网格划分

4．2．2 混合式水轮机流场特性结果分析

4．3 内外径比-D影响分析

4．4 本章小结

第5章 混合式水轮机自启性研究

5．1 H型水轮机自启性研究

5．2 内外径比-D影响分析

5．3 半径比-R影响分析

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢