定桨距水平轴海流机叶轮的水动力外形设计及性能评价

摘要

随着化石能源的日趋枯竭，海洋逐渐成为世界各国开发新能源的主战场。海流能是海洋能的重要形式之一，它的开发利用对于我国能源产业具有重要意义。水平轴海流机是将海流能转换为电能的主要设备，其叶轮的设计是海流机设计的核心问题之一。水平轴海流机叶轮相关的理论及设计方法目前处于探索阶段，尚未形成一套成熟的设计理论体系，所以该领域的研究具备较大的创新空间和研究价值。本文以定桨距水平轴海流机叶轮为研究对象，参考水平轴风力机的相关理论和设计方法，提出一种适用于海流机叶轮设计的新方法，并以此方法实现了100 kW定桨距水平轴海流机叶轮的水动力外形设计及性能评价。主要工作如下:
　　(1)阐述了水平轴海流机研究的背景及意义，介绍了水平轴海流机的研究发展现状以及叶素-动量理论等可用于水平轴海流机叶轮设计的基础设计理论。
　　(2)阐述了翼型升阻特性、失速等翼型相关的基本理论，并根据翼型选用原则以及海流的雷诺数，确定了本文的设计用翼型为NACA63-4XX翼型系列。
　　(3)运用FLUENT软件对设计用翼型进行二维数值模拟。采用二维“C”形O-Grid结构化网格策略进行网格划分，得到高质量的二维网格。将翼型升阻特性仿真数据与国外权威实验数据进行比较，验证了FLUENT数值模拟方法的有效性;比较了翼型在两种不同流体介质中的升阻特性，发现两者差别很小;还研究了厚度对翼型升阻特性的影响，得到的结论是厚度越大升阻比越小。
　　(4)比较了Glauert方法与Wilson方法的异同，确定本文的设计方法主要参照Wilson方法，并结合海况参数和叶轮基本参数，采用MATLAB编程的方法高效地实现了本文的主体设计思想。通过程序迭代计算得到叶片各个特征截面的弦长、扭角等参数，完成叶轮总体的水动力外形设计。
　　(5)利用Pro/E软件对设计的叶轮进行三维参数化建模，采用基于叶素-动量理论的计算模型，并结合Prandtl修正和Glauert修正，对叶轮的水动力性能进行校核评价，验证了本文设计方法的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1研究背景及意义

1．2 海流能发电装置概述

1．3 海流能发电装置的分类

1．4 水平轴海流机的国内外研究发展现状

1．4．1 国外研究发展现状

1．4．2 国内研究发展现状

1．5 本文的研究内容

1．6 本章小结

2 水平轴海流机叶轮设计的基础理论

2．1 致动盘概念与动量理论

2．2 角动量理论

2．3 叶素理论

2．4 叶素-动量理论

2．5 本章小结

3 水平轴海流机叶片翼型的研究

3．1 翼型基本理论及海流机翼型的选取

3．1．1 翼型的几何参数

3．1．2 NACA翼型简介

3．1．3 翼型的升阻特性理论及失速现象

3．1．4 海流机叶片翼型的选取

3．2 CFD理论及相关软件简介

3．2．1 计算流体力学(CFD)概述

3．2．2 FLUENT软件简介

3．2．3 ICEM CFD软件简介

3．3 基于FLUENT软件的翼型数值模拟

3．3．1 翼型数值模拟基本流程及软件参数设置

3．3．2 数值模拟结果与实验数据的比较

3．3．3 翼型在不同流体介质中升阻特性的比较

3．3．4 厚度对翼型升阻特性的影响

3．4 本章小结

4 水平轴海流机叶轮的水动力外形设计

4．1 水动力外形设计方法的选取

4．1．1 Glauert设计方法

4．1．2 Wilson设计方法

4．1．3 两种设计方法的比较

4．2 海况参数及叶轮基本参数的确定

4．2．1 海况参数的选取

4．2．2 叶轮基本参数的确定

4．3 叶片水动力外形设计

4．3．1 叶片各特征截面翼型的确定

4．3．2 翼型升阻力系数的获取

4．3．3 Wilson设计方法的基本思路

4．3．4 Wilson设计方法的MATLAB实现

4．3．5 叶片水动力外形设计结果

4．4 本章小结

5 叶轮的三维建模与水动力性能评价

5．1 基于Pro／Engineer的叶轮参数化建模

5．1．1 叶片外形坐标的确定

5．1．2 叶轮的参数化3D建模

5．2 基于叶素-动量理论的叶轮水动力性能评价

5．2．1 水动力性能计算理论模型

5．2．2 计算模型的MATLAB实现

5．2．3 计算结果及其分析

5．3 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献