拍动翼海流能采集系统水动力学性能研究

摘要

海洋中蕴藏着巨大能量的可再生清洁能源，包括海流能、波浪能、风能、海水盐度差能、海洋热能等等。拍动翼海流能采集系统是受水生动物运动能力启发而提出的一种新的海流能采集方法。与传统的用于采集海流能的叶轮机相比，拍动翼海流能采集系统具有易于在潜水中布置、能充分利用空间、对水生动物更加友好、对通航影响较小等特点。根据目前拍动翼能量采集系统的研究现状，本文考虑翼与周围流体之间的流固耦合，对拍动翼海流能采集系统进行了系统研究。首先，本文确定了系统最优的(f*，θ0)参数空间，其中f*为拍动频率，θ0为转角幅值;评估了非正弦转动提高拍动翼海流能采集系统能量采集性能的效果;研究了惯性和阻尼对非正弦拍动翼海流能采集系统的影响;另外，本文还研究了由翼尖效应和三维不稳定性引起的三维效应。最后本文基于全主动运动模型研究了自由面对拍动翼海流能采集系统的影响。
　　首先，在关于非正弦转动对拍动翼海流能采集系统影响的研究中，本文确定了正弦转动下使系统取得最高能量采集效率的参数组合为θ0=75°，f*=0.16，取得的最高能量采集效率为32％。然后，本文通过增加控制翼转动轨迹的参数β的值使翼的转动轨迹由正弦转动转变为方波型转动，研究了非正弦转动的影响。本文研究发现，当系统以最优参数组合运行时，非正弦转动提高其能量采集性能的作用非常有限，系统能量采集效率的上限并没有提高。对于小转角幅值的工况，本文得到了与前人一致的结论，采用非正弦转动确实可以提高系统的能量采集效率。但当转角幅值及拍动频率都取最优值的时候，非正弦转动对系统能量采集效率的影响是负面的。根据本文的研究结果，采用简单的方波型非正弦转动方式不能提高半主动拍动翼海流能采集系统的能量采集效率上限。
　　第二，在关于惯性和阻尼对半主动拍动翼海流能采集系统影响的研究中，本文首先在质量比r=1时进行了参数化研究，确定了系统运行的最佳运动参数，取得的最高能量采集效率为η=34％。然后在最优运动参数下进行了r=0.125到r=100的计算。本文发现，半主动系统的能量采集效率随着水翼与其排开的流体的质量之比r的增加而单调下降。对r＜10的工况，系统的输出功率随质量比的变化较小，一直保持在较高的水平，因此，从输出功率的角度来讲，此时惯性的影响可以忽略不计。半主动拍动翼海流能采集系统的转动与平动之间的相位差具有自适应性，在该部分的研究中取得的转动与平动最优相位差为φ≈82°。此时，水翼运动与周围涡的发展具有良好的同步性。本文关于阻尼对拍动翼海流能采集系统影响的研究发现，系统的能量采集效率随着阻尼的增加先上升后下降，存在使系统的能量采集效率最高的最优阻尼c*≈0.5-0.7。该结论与线性理论分析的结果有差别。这是因为线性理论仅适用于雷诺数无限大的情况，并且没有考虑前缘涡的影响。
　　第三，在三维效应对系统能量采集性能影响的研究中，本文选取有限展长的水翼及展向设为周期性边界条件的工况进行研究。根据本文的计算，对于有限翼展的工况，系统的能量采集效率随展弦比的减小而降低。不同拍动频率的工况对翼展的敏感程度不同，大。因此，系统的最优拍动频率随展弦比增大而增大。另外，本文发现，三维效应包含两方面因素:翼尖效应和流场的三维不稳定性。本文基于全主动模型，运用Floquet稳定性分析，研究了雷诺数对三维不稳定性的影响，确定了尾流转捩的临界雷诺数。三维直接数值模拟取得了与Floquet稳定性分析一致的结果。
　　最后，关于自由面对拍动翼海流能采集系统影响的研究，本文首先根据系统的实际工作状况选取三个傅汝德数研究了浸没深度的影响。研究发现，当水翼浸没深度与弦长之比较小的时候（d/c＜8），自由面对系统能量采集效率的影响比较显著，此时系统的能量采集效率随着浸没深度的减小而迅速升高。本文还对傅汝德数的影响进行了研究。当Fr＜1.2时可以不考虑傅汝德数的影响，在此傅汝德数范围内系统的能量采集效率表现出很好的稳定性。但是，当傅汝德数进一步增大的时候，极端傅汝德数会使系统的能量采集效率降低。

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致谢

摘要

插图

表格

1 绪论

1．1 研究的背景与意义

1．2 拍动翼能量采集系统研究综述

1．2．1 拍动翼能量采集机理

1．2．2 拍动翼海流能采集系统模型的分类介绍

1．3 本论文的内容和创新点

2 流体控制方程的离散及动网格方法介绍

2．1 有限体积法离散

2．1．1 计算区域离散

2．1．2 输运方程的离散

2．1．3 时间离散

2．2 边界条件

2．3 动网格方法介绍

2．4 本章小结

3 非正弦转动对半主动拍动翼海流能采集系统性能的影响

3．1 引言

3．2 物理模型及数值方法

3．2．1 翼的运动方程

3．2．2 能量采集效率的计算

3．2．3 数值方法及验证

3．3 正弦转动运动的分析

3．3．1 转角幅值对拍动翼能量采集系统的影响

3．3．2 尾流结构分析

3．4 非正弦转动运动的分析

3．4．1 小转角幅值的工况(θ0=45°)

3．4．2 大转角幅值的工况(θ0=75°)

3．4．3 非正弦转动的尾流拓扑结构分析

3．5 本章小结

4 惯性和阻尼对半主动拍动翼能量采集系统的影响研究

4．1 引言

4．2 问题描述和数值方法

4．2．1 运动方程及控制参数

4．2．2 数值方法

4．3 参数研究

4．4 惯性影响

4．5 阻尼影响

4．6 本章小结

5 展弦比对半主动拍动翼海流能采集系统的影响研究

5．1 引言

5．2 物理模型及数值方法

5．3 展弦比影响

5．4 阻力型尾流涡结构分析

5．5 本章小结

6 自由面对拍动翼海流能采集系统的影响研究

6．1 引言

6．2 问题描述及数值方法

6．2．1 问题描述

6．2．2 能量采集效率的计算

6．2．3 数值方法

6．3 精度验证

6．4 浸没深度对能量采集效率的影响

6．5 傅汝德数对能量采集效率的影响

6．6 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

作者简历

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