水平轴潮流轮机叶片优化及数值模拟研究

发布时间：2017-10-08 21:42

  本文关键词：水平轴潮流轮机叶片优化及数值模拟研究

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【摘要】：通过在将潮流中的动能转化成叶片的旋转动量以此来驱动电机的发电设备称为潮流轮机,与传统的堤坝式潮汐电站相比,潮流轮机的发电成本更低。近年来,由于温室效应日益严峻,节碳减排放成为可再生能源关注的重点,与风能相比,潮流能能量密度更大,可预测性更强,因而称为世界科研的新热点。如何有效且高效的获取潮流能资源称为研究的主要命题。一方面要设计研发新的潮流轮机适用的新的翼型族,保证翼型在工作时能满足潮流轮机对动力学特性的要求,同时开发新的潮流轮机叶片提升潮流轮机的能量利用效率。另一方面需要建立起合理且有效的潮流轮机特性预测方法,提升设计水平,以此来设计出高效运行的潮流轮机机组。因此,开发新的潮流轮机适用翼型,改善翼型的动力学特性为潮流轮机翼型设计提供优秀的翼型族是设计高效潮流轮机机组的基础。要设计优秀的叶片气动外形,必须对现有的预测模型进行论证以及改善,提升其预测精度。本文以NACA63-8XX系列翼型潮流轮机为研究对象对其基础翼型,气动外形工作特性预测方法进行了研究,其具体内容如下:本文采用了翼型动力学预测软件XFoil并验证了其预测结果的精度,结合MATLAB平台,采用嵌入编程,以NACA63-815翼型为基础模板翼型,参数化翼型结构后,并验证了参数化翼型的几何收敛以及气动收敛特性。通过界定翼型参数的优化范围,采用粒子群算法,以翼型的动力学特性为优化函数,采用多目标权重优化,得到了优化翼型。分析了优化翼型与原翼型之间动力学参数变化,发现翼型的升力系数提升明显,翼型的升阻比在0~20°范围内,均有不同程度的提升,验证了翼型动力学特性优化结果。基于叶素动量定理方法(BEM),采用翼型动力学预测软件XFoil软件提供实时的翼型动力学参数参与叶片叶素截面的径向速度系数以及轴向速度系数的迭代过程,引入了描述翼型局部雷诺效应的雷诺数算法,得到了雷诺数修正的叶素动量定理模型,比较了其计算精度与未考虑雷诺数算法的潮流轮机商业软件的计算结果,表明雷诺数修正的潮流轮机预测模型的准确性以及预测精度均有所提升。且在高转速区域,雷诺数修正的叶素动量定理模型的预测误差由原来的50%降低到7%。采用优化的翼型族对潮流轮机的叶片气动几何特性进行了改善,基于XFoil以及修正的雷诺数BEM模型,对潮流轮机在不同的叶尖速度比(TSR)下的能量利用系数进行优化,得到了优化潮流轮机的气动几何特征。分析了优化叶片在不同叶尖速度比(TSR)下的性能特性,发现潮流轮机的性能与原潮流轮机相比,除TSR=6时,性能些许下降外,其余工况下,潮流轮机的特性均有提升,最大能量系数提升了10%。采用UG对潮流轮机的几何机型了三维建模,采用ICEM对潮流轮机的流场域进行了结构化网格的划分,采用了SST湍流模型对潮流轮机进行数值预测。得到了求解的潮流轮机速度场以及压力场的分布。分析了潮流轮机的叶片表面的压力分布以及速度分布情况,同时对潮流轮机的近尾流区域进行了分析,解析了其速度场的分布规律。
【关键词】：潮流轮机 翼型优化 粒子群算法 叶片优化 数值计算
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM31
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 研究背景11-20
• 1.1.1 潮流能概况11
• 1.1.2 潮流能分布11-12
• 1.1.3 潮流能开发意义12-13
• 1.1.4 国内外潮流轮机发展现状13-15
• 1.1.5 潮流轮机研究现状15-19
• 1.1.6 本文研究的主要内容19-20
• 第二章 潮流轮机二维翼型设计优化20-33
• 2.1 翼型的动力学特性基础20-24
• 2.1.1 翼型的基本几何参数20
• 2.1.2 翼型的动力学参数20-22
• 2.1.3 XFoil翼型的动力学特性预测22-24
• 2.2 翼型的参数化及优化设计24-32
• 2.2.1 翼型的参数化24-29
• 2.2.2 翼型的多目标参数优化29-32
• 2.3 本章小结32-33
• 第三章 潮流轮机特性预测及优化33-48
• 3.1 潮流轮机的叶素动量定理算法优化及特性预测33-42
• 3.1.1 叶素动量定理（BEM）33
• 3.1.2 经典BEM理论33-35
• 3.1.4 潮流轮机的参数35-36
• 3.1.5 潮流轮机特性计算结果及分析36-42
• 3.2 潮流轮机的叶片优化设计42-46
• 3.2.1 潮流轮机原型尺寸及参数42
• 3.2.2 潮流轮机叶片优化42-43
• 3.2.3 潮流轮机叶片优化结果43-46
• 3.3 本章小结46-48
• 第四章 潮流轮机的三维建模及数值计算48-67
• 4.1 潮流轮机叶片三维建模及网格拓扑48-51
• 4.1.1 潮流轮机参数48-50
• 4.1.2 计算域划分50-51
• 4.1.3 网格拓扑51
• 4.2 潮流轮机数值计算设置51-55
• 4.2.1 边界条件设置51-52
• 4.2.2 湍流模型52-54
• 4.2.3 网格无关性试验及壁面y+验证54-55
• 4.3 潮流轮机定常数值计算分析55-65
• 4.3.1 性能特性分析55-56
• 4.3.2 叶轮的总压力变化56-57
• 4.3.3 潮流轮机压力内流场分析57-62
• 4.3.4 潮流轮机速度内流场分析62-64
• 4.3.5 潮流轮机叶尖涡分析64-65
• 4.4 本章小结65-67
• 工作总结67-69
• 工作展望69-70
• 参考文献70-76
• 致谢76-77
• 硕士期间参与的科研项目及发表的学术论文77-78
• 附录78-92

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