竖轴潮流能水轮机水动力性能的二维数值模拟研究

摘要

潮流能水轮机从海洋中提取能源发电是一个激动人心的命题，它正逐渐成为一个可行的技术，是目前备受瞩目的研究课题，因此本文对竖轴潮流能水轮机进行研究。
　　本文先是总结了目前国内外潮流能发电装置的研究现状，对竖轴潮流能水轮机数值模拟的理论基础进行了介绍，同时介绍了数值模拟的计算原理。结合物理模型试验数据，通过无关性检验，找出合适的计算模型进行计算，得出数值模拟计算结果与物理模型测量结果误差在可靠范围内的结论后，对竖轴潮流能水轮机进行进一步的研究。
　　本文分别从叶片数目，来流速度，叶片翼型，叶轮半径，导流罩等不同方面，得出水轮机在不同条件下的流场图、扭矩曲线、效率曲线等，观察水轮机水动力性能随不同参数变化而变化的情况。
　　计算结果表明当尖速比较小时，叶片数目较多、来流速度较小、弦长较长、半径较大的水轮机效率略高;当尖速比较大时，叶片数目较少、来流速度较大、弦长较小、半径较小的水轮机效率略高。
　　由于目前国内常见的竖轴水轮机束窄型导流罩具有限制了来流方向的特点，本文提出另一种 增强型导流罩，计算结果表明增强型导流罩与传统束窄型导流罩对水轮机输出功率有类似的提升作用，且相对来说，增强型导流罩结构更为简单，用料更少，不受来流方向影响，因此用增强型导流罩代替束窄型导流罩是可行的。
　　本文对不同工况下水轮机的流场、扭矩、功率、效率进行研究分析，为竖轴潮流能水轮机的进一步研究提供了依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文研究背景及意义

1．2 国内外潮流能水轮机研究现状

1．3 国外研究现状

1．4 国内研究现状

1．5 数值模拟研究现状

1．6 本论文的研究内容

2 竖轴水轮机的数值模拟理论

2．1 竖轴水轮机的基本结构及获能效率计算

2．2 计算流体力学概述

2．3 数值计算软件ANSYS FLUENT简介

2．4 有限体积法的基本思想

2．5 流体运动基本控制方程

2．6 湍流模型

2．7 滑移网格技术

2．8 γ+值基本概念及计算

2．9 流场求解计算方法

2．10 计算网格

2．11 本章小结

3 竖轴水轮机的数值模拟验证

3．1 计算域及边界条件

3．2 网格划分

3．3 数值计算合理性检验

3．3．1 湍流模型检验

3．3．2 网格无关性检验

3．3．3 时间步长检验

3．4 数模结果与实验数据对比

3．5 本章小结

4 竖轴水轮机的数值模拟研究

4．1 不同转速下水轮机的水动力性能

4．2 叶片数目的影响

4．3 来流速度的影响

4．4 叶片弦长的影响

4．5 叶片半径的影响

4．6 叶片翼型的影响

4．7 本章小结

5 两种不同型式的导流罩比较

5．1 束窄型导流罩的尺寸设计

5．2 增强型导流罩的尺寸设计

5．3 两种不同导流罩型式下水轮机输出功率的比较

5．4 不同来流方向下增强型导流罩的输出功率

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 不足与展望

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间参与项目