一种具有发电功能的人工鱼礁设计

摘要

由于海洋资源的日益枯竭，海洋牧场在各地迅猛发展，而人工鱼礁技术则是海洋牧场的核心。设计的人工鱼礁与波浪能装置相结合，人工鱼礁成为有源设备，易于增加聚鱼及实现礁体的聚鱼效果自动化监控。
　　依据人工鱼礁在海底应具备抗倾覆、抗滑移、抗沉降等性能，在对人工鱼礁进行受力分析的基础上，进行了选型及优化设计，确定了人工鱼礁的空间造型及尺寸，进行了全面的安全性能校核，验证该礁体设计合理。
　　运用ANSYS、FLUENT软件对礁体在不同方向、不同流速、不同间距下进行了流场分析，分析出鱼礁的上升流和背涡流。对鱼礁关键部件叶轮进行了流场分析及有限元分析。在对礁体的流场分析中，以两个鱼礁为一整体进行计算，流速设定范围为0.3m/s～0.8m/s，分别对横向组合与纵向组合进行分析。横向组合在间距一定时，随着流速的增加会使得最大上升流的流速、上升流高度、上升流面积增大，而流速对背涡流面积的影响较小；在流速一定时，随着间距的增大使得上升流高度、上升流面积增大，间距的增大使背涡流面积减小，纵向组合时，间距的增加使得上升流与背涡流流速先增大后减小、礁体间背涡流面积增大，使得礁体后的背涡流面积先增大后减小，且在1.5L时达到最大，间距的增大使得上升流高度、上升流面积、背涡流面积先变大后变小，且均在1.5L时达到最大。在对叶轮进行有限元分析时，设置海洋的波高分别为2m、5m、10m，将通过计算得到的初速度6.3m/s、9.9m/s和14m/s作为有限元分析的边界条件，分析叶轮受到的压力、变形、应变、等效应力和安全系数，经过分析得到在设置的浪高因素为10m初速度为14m/s时，此时叶轮受到最大应力的影响，且计算得到的结果是653.563 MPa。对安全系数进行计算，其结果为1.25，是满足我国在海域中考虑的安全条件的。
　　设计的波浪能发电装置利用叶轮等将波浪能转化为电能，它是由叶轮、叶轮套筒、通风式连接架、发电装置等组成。发电装置包括齿轮增速器、永磁发电机、发电机控制器、蓄电池。发电装置通过叶轮套筒将叶轮与外部水流隔离组成静水区，在水流流动时与套筒内部形成相对运动可以带动叶轮的转动，叶轮连接齿轮增速器，进而通过联轴器连接发电机将机械能转化为电能，通过蓄电池储能。
　　设计的人工鱼礁可投入近海海洋牧场，作为有源鱼礁易于实现海洋牧场的自动化监控。该鱼礁有待于后期的类似于PIV的水槽试验或小规模生产后投入近海海洋牧场进行验证。

目录

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2人工鱼礁相关介绍

1.3人工鱼礁建设概况

1.4研究课题的引出

1.5课题研究的主要内容

第二章 人工鱼礁的设计

2.1人工鱼礁的性能

2.2总体设计

2.3鱼礁的礁体设计

2.4本章小结

第三章 礁体的水动力计算及分析

3.1人工鱼礁礁体结构

3.2人工鱼礁礁体安全性校核计算

3.3鱼礁的相关参数分析

3.4本章小结

第四章 鱼礁发电装置的设计及分析

4.1波浪能发电的简单介绍

4.2波浪能发电装置的选用

4.3发电装置的发电原理及结构介绍

4.4发电装置试验分析

4.5发电装置主要结构的设计及选用

4.6发电能量在鱼礁中的应用

4.7叶轮的流场动力学分析

4.8叶轮的有限元分析

4.9本章小结

第五章 人工鱼礁流场效应的数值模拟

5.1鱼礁流场效应数值模拟的介绍

5.2数值模拟方法

5.3结果与分析

5.4数据分析

5.5分析与结论

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间获得的专利与发表的学术论文

致谢