横轴转子水轮机波浪能发电装置水动力学特性研究

摘要

随着人类社会不断发展，煤炭、石油等化石燃料的消耗日益剧增，引发的能源与环境问题愈发严重，人类社会的发展对清洁的可再生能源的需求越来越迫切。波浪能作为蕴藏丰富、能量巨大的清洁能源越来越成为各国的研究重点。海浪波动的随机性，台风、海啸等恶劣海洋环境等因素，使得波浪能转换装置的科学性、生存性、经济性直接影响到装置的效率和成本，也决定了装置技术的成败。
　　本课题所研究的横轴转子水轮机波浪发电装置主要由双击式水轮机转子和水体流道组成。水体在波浪力的作用下在流道内往复流动，推动水轮机单向转动，从而对外输出扭矩。本文采用理论分析、数值模拟和物理模型试验等手段，研究了横轴转子水轮机波浪发电装置水动力学特性。
　　首先，本文介绍波浪能转换装置发展概况，对各种装置的优缺点做简要介绍，介绍横轴转子波浪发电装置研究进展，并在此基础上提出本文的研究内容。
　　其次，将流道中的水体类比弹簧的质量，将弹簧模型的恢复力视为水体所受的重力，应用流体的连续性方程建立横轴转子水轮机波浪发电装置水体振荡数学模型，得出流道内水体振荡频率的计算公式，提出了宽频带波能捕获理论假设，分析频率与流道出口面板倾斜角度的影响规律。
　　然后，对叶片进行受力分析，在ICEM CFD软件中划分流体域和转子域，在Fluent软件中采用VOF方法，设置滑移网格并选择湍流模型，编写UDF，在仿真过程中输出转子转速与扭矩，以叶轮所受转矩大小和叶轮转速作为评价水平轴波浪发电装置性能的标准。在研究过程中根据不同叶片数目、类型、直径和不同叶轮结构，设计了多种叶片和不同叶轮结构，并运用Fluent软件进行数值模拟，并对结果进行分析。
　　最后，选择测量装置，制作试验模型，在造波水槽中进行试验，对第二章提出的假设进行验证，分析不同的出口流道倾斜角度对装置捕能性能的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外波浪能转换装置发展现状

1．2．1 国外波浪能转换装置研究现状

1．2．2 国内波浪能发展现状

1．3 横轴转子波浪能发电技术的研究现状

1．4 论文的主要研究内容

第2章 横轴转子水轮机波浪能发电装置数学建模及数值解析方法

2．1 引言

2．2 水体振荡数学模型

2．3 宽频带波能捕获理论

2．4 基于CFD理论的数值分析方法

2．4．1 数值模拟方法

2．4．2 Fluent流场计算中的求解算法

2．5 本章小结

第3章 基于数值波浪水槽的装置水动力学特性分析

3．1 引言

3．2 VOF方法及滑移网格技术

3．2．1 VOF控制方程

3．2．2 滑移网格技术

3．2．3 滑移网格守恒方程

3．2．4 滑移网格分界面形状

3．3 叶片受力分析及湍流模型

3．3．1 叶片受力分析

3．3．2 湍流模型的选择

3．4 基于Fluent波浪水池数值建模

3．4．1 网格划分

3．4．2 边界条件设定

3．5 横轴转子水轮机波浪能发电装置流场数值模拟分析

3．5．1 不同叶片数流场数值模拟分析

3．5．2 叶片类型变化流场数值模拟分析

3．5．3 叶轮直径变化流场数值模拟分析

3．5．4 不同叶轮结构流场数值模拟

3．6 本章小结

第4章 横轴转子水轮机波浪发电装置物理模型试验

4．1 引言

4．2 物理模型试验原理及波能计算

4．3 横轴转子水轮机波浪发电装置模型宽频带捕获试验

4．4 本章小结

5．1 研究内容与结论

5．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士期间取得的科研成果及奖励

致谢