双水翼耦合振荡捕获潮流能发电系统水动力性能研究

摘要

当前，我国的海洋能发电技术的发展得到了国家和地方政府的大力支持，潮流能发电作为海洋能发电的一种，其研究具有重要的意义。作为潮流能发电的一种，振荡翼式发电技术仍具有很大的提升空间。为了开发综合性能优良的、捕能效率较高、水动力性能较好的发电装置，需要进行更加深入的水动力性能分析。
　　振荡式水翼捕获潮流能发电装置的优点是可以较好的适应浅海地区，因此可以较好的安装沿海岸等区域，甚至可以安装在河床。同等情况下，振荡水翼的扫略面积是水平轴叶轮的2-3倍，单机发电功率更大，捕能效率更高，为了充分开发浅海潮流能资源，对振荡式装置的研究具有十分重要的意义。
　　水翼的运动可以分解为俯仰运动和升沉运动的耦合，双水翼系统可实现两个水翼升沉-俯仰运动的耦合，并能实现水翼的自启动、自维持振荡，将水流的动能转化为机械能，进而转化为发电机的电能。
　　为了得到捕能装置理想的结构参数，本文进行了如下工作:
　　本文对双水翼耦合振荡捕获潮流能的工作原理进行了详细的介绍。对双水翼系统如何实现自启动、自维持的振荡，以及两个水翼的升沉俯仰运动如何耦合为一个自由度的运动进行了系统的讲解，并给出了衡量双水翼捕能效率的主要参数。
　　通过Fluent软件对二维双振荡水翼非定常流场进行数值模拟，并分析水翼在不同的工况下的水动力和捕能性能。目前大多数研究是关注于低雷诺数状态下的研究以及流固耦合分析，本论文研究的是过度雷诺数和高雷诺数状态下双水翼耦合振荡系统的水动力和能量捕获性能，建立了水翼俯仰升沉振荡时的数值计算模型，得到了求解绕水翼二维湍流流场的非定常、不可压缩N-S方程设定的参数及算法，得到了基于UDF的控制水翼边界运动的算法。
　　本文对双水翼系统的水动力和捕能性能的研究主要围绕折算频率、俯仰振幅、翼型、雷诺数等关键参数对系统的性能的影响，研究了各种参数下水翼的升力、阻力、俯仰力矩、功率、捕能效率的变化规律，并通过分析系统的漩涡特性，解释了各项系数曲线不稳定的原因，从而得出实现水翼最佳水动力和捕能性能的参数值。
　　当水翼翼型为NACA0015、折算频率为0.14、俯仰振幅为75°、雷诺数大于等于500000、俯仰升沉相位差为90°时，双水翼耦合捕能系统的水动力和捕能性能较好，捕能效率可达40％。
　　本文对双水翼耦合振荡捕获潮流能发电系统装置的开发具有重要的指导意义。

目录

声明

摘要

物理量名称及符号说明

第1章 绪论

1．1 本课题研究的背景

1．2 潮流发电的研究现状

1．2．1 水平轴装置

1．2．2 垂直轴装置

1．2．3 振荡翼式装置

1．3 研究内容与意义

1．3．1 本论文的研究内窑

1．3．2 研究意义

第2章 双水冀耦合系统的发电原理

2．1 水翼理论

2．1．1 常用翼型及参数

2．1．2 翼型的水动力特性

2．2 双水翼耦合系统的工作原理

2．2．1 工作原理

2．2．2 参数的选择

2．3 结构方案

2．4 本章小结

第3章 双水翼耦合系统CFD分析

3．1 CFD理论概述

3．2 Fluent软件介绍

3．3 流体动力学控制方程

3．3．1 质量守恒方程

3．3．2 动量守恒方程

3．3．3 控制方程的通用形式

3．4 湍流模型

3．5 CFD数值模拟方法

3．5．1 计算区域的离散

3．5．2 控制方程的离散

3．5．3 流场数值计算方法

3．5．4 数值技术

3．5．5 动网格模型

3．5．6 用户自定义函数

3．6 网格划分及边界条件的设置

3．7 本章小结

第4章 双水翼捕能系统的动力特性

4．1 振荡频率对双水翼系统动力特性的影响

4．2 俯仰振幅对双水翼系统动力特性的影响

4．3 翼型对双水翼系统动力特性的影响

4．4 雷诺数对双水翼系统动力特性的影响

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢