柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究

摘要

柔性叶片水轮机是一种新型潮流能能获取装置，采用柔性材料作为叶片，柔性叶片适流形变，可充分利用流体的升力效应和阻力效应提取水能，具有较高获能效率，在较低转速下亦具有较好自启动能力，适用流速范围广，同时柔性叶片可适应双向往复来流，竖轴安装能适应各向来流，转子制作简单，叶片安装方便，有广阔的应用前景。但作为一种新型水轮机其流体动力特性有待于深入研究，认知其流体动力里原理，对其性能进行优化研究，以此来获得更高的流体动力性能，为其最终的广泛应用奠定基础。 流体数值模拟现已广泛应用于汽车、船舶、航空、水力发电、环境保护等领域，本文从计算流体力学的角度出发对柔性叶片水轮机进行研究，通过数值模拟方法对水轮机的流体性能进行预测，但因柔性材料在流体中存在复杂的流固耦合关系，流固耦合思路、求解方法等都有待于深入研究完善。 本文结合扑翼研究、帆翼研究、心脏瓣膜、血管瘤等相关知识，学习探讨了流固耦合的基础知识，讨论了流固耦合的实现方法；对单个柔性叶片在流体中的变形进行了流固耦合分析，得到了不同迎流状态下柔性叶片的形状；在柔性叶片水轮机实验研究的基础上，讨论了柔性叶片水轮机流固耦合数值模拟的方法，提出了简化可行的求解思路，使复杂的柔性叶片转动过程的流固耦合过程求解变得经济可行，并对水轮机的流体动力性能进行了有效的预测。 本文主要研究结论有： ◇实现了柔性叶片在流体中的流固耦合分析，为柔性叶片水轮机的流体动力特性数值模拟提供了基础； ◇分析了柔性叶片水轮机数值模拟的实现途径，提出了预测水轮机流体动力性能的简化方法； ◇分析了单个柔性叶片转动的流体动力特性，叶片在一个转动周期内主要承受正向转矩，阻力转矩其主导作用。 ◇分析了尖速比、弧弦比、叶片张角等对水轮机性能的影响，尖速比是水轮机的重要性能参数，可为水轮机发电系统的发电机及电控系统的设计提供参考和依据。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要符号说明

声明

1前言

1.1潮流能开发利用现状

1.2柔性叶片水轮机及其工作原理

1.3研究意义

1.4本文主要内容和研究方案

1.4.1主要研究内容

1.4.2研究方案

2流固耦合理论基础及柔性叶片水轮机数值模拟方法

2.1计算流体动力学概述

2.2流固耦合控制方程

2.2.1流体力学控制方程

2.2.2结构域控制方程

2.3三维湍流模型及其在CFD中的应用

2.3.1湍流基本方程

2.3.2湍流的数值模拟方法简介

2.3.3 k-epsilon 模型和k-omega 模型

2.4流固耦合求解方法

2.5柔性材料流固耦合研究现状

2.6柔性叶片水轮机数值模拟方案研究

2.6.1在FLUENT中加载结构分析模块进行流固耦合求解方法

2.6.2在ANSYS和CFX中对柔性叶片水轮机进行数值求解方法

2.7柔性叶片水轮机数值模拟简化方法

2.8本章小结

3柔性叶片流固耦合分析

3.1 ANSYS和CFX进行流固耦合计算介绍

3.2柔性叶片结构分析模型建立

3.3流体域模型及边界条件

3.4柔性叶片流固耦合结果及分析

3.5本章小结

4柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟

4.1移动与变形区域的流体计算

4.2动网格和用户自定义函数(UDF)

4.2.1动网格守恒方程

4.2.2动网格更新方法

4.2.3用户自定义函数

4.3柔性叶片水轮机数值模拟过程

4.3.1柔性叶片水轮机模型建立

4.5.2 网格划分及边界条件

4.5.3边界条件

4.5.4动网格的实现

4.6网格数量的影响

4.7数值模拟结果及分析

4.7.1水轮机叶片压力分布

4.7.2尖速比对柔性叶片水轮机性能影响

4.7.3弧弦比对水轮机性能的影响

4.7.4柔性叶片张角影响

4.7.5流速对水轮机性能影响

4.8柔性叶片水轮机性能分析

4.8.1单排叶片升力阻力分析

4.8.2各排水轮机叶片转矩分析

4.9本章小结

5结论和展望

5.1本文总结

5.2工作展望

参考文献

致谢

个人简历

硕士期间发表论文情况