基于最佳设计流速的水平轴潮流能桨叶设计及其性能研究

发布时间：2020-07-13 19:01

【摘要】：随着石化燃料的消耗和环境污染的日益加剧,潮流能作为一种比较丰富的可再生清洁能源,具有功率密度大、可预测性强、流速平稳等特点,许多研究机构对水平轴潮流能捕获装置进行了研究和试验。桨叶是水平轴潮流能能量捕获的关键部件,设计流速作为桨叶设计的首选参数,它对桨叶的几何外形、工作性能和实际功率捕获都有直接的影响。目前,针对定桨距桨叶设计流速的选取并没有合适的方法:风力机桨叶设计一般通过风速蕴含能量的概率分布来确定;潮流能捕获桨叶设计时考虑潮流流速较低,一般取最大平均流速。这样造成了变流速下桨叶工作在非设计工况下,不仅效率低下,且无法预知功率变化情况。尤其对于大部分潮流流速较低的实际情况,选取合适的设计流速进行定桨距桨叶设计对于更高效利用潮流能能量非常重要。本文结合叶素动量理论与流体动力学理论,分析在变流速流经定桨距桨叶时的流速诱导变化,得到不同设计流速下不同的流速变化情况,建立设计流速与变流速下功率捕获的数学模型。结合实际潮流流速变化测试,提出了以流速变化的一个半月周期内桨叶捕获总能最大为目标,将流速数据利用MATLAB迭代计算得到一个最佳设计流速,满足流速变化中桨叶捕获总能最大,而不是仅仅在设计点输出功率最大。然后,取最大潮流平均流速为设计流速与本文设计方法作对比,采用Wilson叶片优化设计法结合MATLAB编程计算桨叶几何外形参数,对变流速下两种不同设计流速的桨叶尺寸外形、启动特性、推力、扭矩及功率变化情况做理论性能预测对比分析,为实验提供理论对比数据。桨叶运行环境流场的复杂性,上述桨叶设计中对计算模型做很多简化和假设,这些因素很大情况下影响了计算的精确性,因此,对上述两种设计桨叶进行实际设计建模及加工,并搭建海上桨叶性能测试平台对两种设计桨叶进行实验数据采集,并与理论作对比。通过实际实验发现:本文基于最佳设计流速下的桨叶设计在潮流流速变化的大部分时间段内功率捕获优于以往设计桨叶,在潮流流速变化的一个半月周期内捕获总能提高了约8%,验证了本文设计方法的正确性与合理性,对变流速中定桨距桨叶的设计具有一定的理论与工程实践指导意义。
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM612;P743

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