水平轴潮流能发电水轮机尾流场效应及其影响规律研究

摘要

潮流能作为一种新型清洁可再生能源，越来越受到广泛的关注。近年来，世界各国大量的科研组织和机构投入到这方面的研究中，从理论研究到单机组模型试验，再到单机组实尺发电装置海试，潮流能的利用经过多年的发展已初见成效，未来面临的是在实际海域大规模潮流能发电场的建立。这其中最关键的发电装置的排布问题，对于多机组的优化布局，首先涉及到的是尾流场分布恢复情况的研究。本文运用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，对单机组尾流场分布的影响因素进行分析研究。
　　本文从理论研究出发，对潮流能水轮机尾流场的研究现状进行总结，介绍水轮机排布对尾流场的影响、近尾流场湍流分布的研究和远尾流场恢复中影响规律，基于此，找到适合本课题的研究内容和研究方法。
　　其次，介绍了水轮机设计中的叶素理论、动量理论、叶素动量理论和尾流效应等理论知识。在此基础上，运用CFD软件模拟不同流速下水平轴潮流能水轮的尾流场速度分布规律和机组受力，总结其影响规律。同时，针对尾流场影响规律中的尺度效应进行数值模拟，对不同尺度的水轮机尾流场恢复情况进行分析，给出定性结论。另外，对用于数值模拟的两种不同的转子模型（水轮机模型和多孔圆盘模型）进行研究，对转子受力和尾流场分布两个方面进行对比研究，对多孔圆盘代替水轮机进行数值模拟的可行性进行分析。
　　最后，针对“流速对单机组水平轴水轮机的尾流场分布的影响规律研究”，设计了模型试验方案（包括水轮机的结构、发电装置的安装以及采集系统的标定和调试）。并加工并制作试验水轮机和吊装装置，给出了预期实验结果，为后期水槽实验奠定了基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 潮流能水轮机尾流场研究现状

1．2．1 单机组尾流效应研究现状

1．2．2 多机组阵列尾流场研究现状

1．3 研究内容和方法

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究方法

2 潮流能水轮机基本理论及尾流场影响因素

2．1 水轮机尾流场研究理论基础

2．1．1 动量理论

2．1．2 叶素理论

2．1．3 叶素-动量理论

2．2 水轮机尾流效应及影响规律

2．2．1 尾流效应

2．2．2 水轮机尾流场形成机理

2．2．3 多机组排布优化布局方案

2．3 计算流体动力学

2．3．1 CFD方法概述

2．3．2 控制方程

2．3．3 湍流模型

2．4 水轮机尾流场分布影响因素

2．5 本章小结

3 流速对水轮机性能及尾流场影响规律研究

3．1 研究条件设定

3．2 水轮机计算模型建立

3．2．1 水轮机三维模型建立

3．2．2 网格划分

3．2．3 模拟条件设定

3．3 水轮机性能及尾流场恢复情况分析

3．3．1 水轮机叶片压力分布情况分析

3．3．2 水轮机性能分析

3．3．3 尾流场速度分布情况分析

3．4 本章小结

4 尾流场分布影响规律研究中的尺度效应

4．1 水轮机计算模型描述

4．1．1 三维模型数据

4．1．2 初始条件设定

4．2 水轮机尾流场数值模拟结果分析

4．3 本章小结

5 不同转子模型尾流场分布规律研究

5．1 多孔圆盘相关理论

5．1．1 水轮机密实度

5．1．2 多孔圆盘理论

5．1．3 多孔圆盘模型

5．2 单机组尾流场及模型受力分析

5．2．1 模型轴向力及扭矩对比分析

5．2．2 单机组尾流场速度恢复情况对比分析

5．3 多机组阵列尾流场分布情况分析

5．3．1 多机组模型排布方案

5．3．2 数值模拟结果分析

5．4 多孔圆盘模型可行性分析

5．5 本章小结

6 潮流能水轮机尾流场模型试验方案设计

6．1 试验目的

6．2 试验原理

6．3 试验设备

6．4 试验条件

6．5 预期试验结果

6．6 本章总结

7 总结与展望

7．1 论文主要工作总结

7．2 论文主要结论

7．3 不足与展望

参考文献

附录

致谢

个人简历

学术成果