潮流水轮机及阵列对周边流场影响研究

发布时间：2017-10-29 22:10

  本文关键词：潮流水轮机及阵列对周边流场影响研究

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【摘要】：潮流能作为一种清洁、可再生的能源,其开发利用有利于我国社会经济的可持续发展。然而,潮流能水轮机的运行会扰动周围海域的潮流运动,改变潮流能密度分布,同时也引起水动力环境变化。准确地预测水轮机周围潮流流场的变化,有助于水轮机阵列的优化布置,实现潮流能经济效益的最大化和水动力环境影响的最小化。论文通过物理实验对水平轴水轮机周围流场的变化进行了研究。结果表明,水轮机转轮对上游水流运动的影响很小,而在下游产生一个明显的尾流区,并且尾流近区速度亏损区出现环流运动。悬挂式固定结构对转轮上方运动水流产生阻挡作用,引起上、下游近区水流速度减小,导致垂向上尾流区的速度亏损在转轴上方的衰减滞后,使得尾流向下游发展的过程中还缓慢地向自由水面移动。随着下游距离的增加,尾流区的速度亏损、紊动强度和雷诺切应力衰减。结合其它实验研究,论文初步分析了影响尾流结构发展的因素。发现转轮的叶尖速比主要影响了近区尾流结构分布,转轮周围水流的紊动强度和阻塞比共同影响尾流的衰减速度,而下游近区过流断面上的流速分布影响尾流结构的变化趋势。由物理实验验证的三维数学模型,能够比较准确地预测实际海域中潮流水轮机及阵列周围的流场变化。相对于单台水轮机,并排布置的小规模水轮机阵列增大了周围流场的变化幅度,减缓了下游尾流的衰减进程,并且阵列下游的尾流分区在衰减过程中逐渐合并。横跨过流断面的大规模水轮机阵列,对高水位和低水位均有抬高作用,但对低水位的影响更大。由于阵列的阻塞效应,垂向上尾流区速度减小的同时,转轮叶尖外围区的流速大幅度增加,加速了尾流的衰减进程。水轮机阵列的结构形式对潮流能获取量的分布有较大的影响。并排阵列中潮流能获取量的分布与海域内潮流能的分布趋势一致,减小的侧向间距可以提高阵列中水轮机获取潮流能的能力。多排交错布置的阵列改变了潮流的运动结构,引起潮流能密度重分布。由于上游尾流的影响,潮流能获取量在阵列中间较低,而在前后两端较高。阵列中侧距和径距的增大均能减小上游水轮机的尾流影响,提高阵列中间水轮机获取潮流能的能力。然而,侧距的增加还能够有效地减小阵列的阻塞效应,加速上游尾流的衰减。
【关键词】：潮流能获取 潮流水轮机 阵列规模 阵列结构形式 水动力特性
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK730.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-10
• 第1章 绪论10-28
• 1.1 背景意义10-14
• 1.1.1 潮流能11-12
• 1.1.2 我国潮流能分布12-13
• 1.1.3 潮流能开发意义13-14
• 1.2 潮流水轮机研究现状14-17
• 1.2.1 国外14-16
• 1.2.2 国内16-17
• 1.3 潮流能评估研究现状17-23
• 1.3.1 评估方法17-20
• 1.3.2 评估研究20-23
• 1.4 流场变化研究现状23-26
• 1.4.1 物理实验23-24
• 1.4.2 数值模拟24-26
• 1.5 研究内容26-28
• 第2章 三叶片水平轴水轮机周围流场实验研究28-54
• 2.1 实验水槽和水轮机28-31
• 2.2 流速测量31-32
• 2.3 水流特性32-34
• 2.3.1 特征量32-33
• 2.3.2 未扰动的水流运动33-34
• 2.4 推力测量34-36
• 2.5 径向流速36-38
• 2.5.1 水平面上分布37-38
• 2.5.2 垂向上分布38
• 2.6 环向流速38-41
• 2.6.1 断面上环流分量39-40
• 2.6.2 剖面上环流分量40-41
• 2.7 紊动强度41-44
• 2.7.1 平面上分布42-43
• 2.7.2 垂向上分布43-44
• 2.8 雷诺切应力44-45
• 2.8.1 平面分布44
• 2.8.2 垂向分布44-45
• 2.9 尾流上游流场变化45-48
• 2.9.1 转轮平面流场45-47
• 2.9.2 上游流场47-48
• 2.10 对比分析48-52
• 2.10.1 径向衰减48-50
• 2.10.2 侧向分布50-52
• 2.11 本章小结52-54
• 第3章 水平轴水轮机周围流场数值模拟54-62
• 3.1 模型方法54-56
• 3.1.1 数学模型54-55
• 3.1.2 计算网格55
• 3.1.3 转轮模型化55-56
• 3.1.4 边界条件56
• 3.2 断面流速分布56-57
• 3.3 尾流流场变化57-61
• 3.3.1 径向变化58
• 3.3.2 横向分布58-59
• 3.3.3 垂向分布59-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第4章 水轮机阵列规模对潮流流场的影响62-81
• 4.1 河口模型62-66
• 4.1.1 河口模型建立62-64
• 4.1.2 潮流速度分布64
• 4.1.3 最小水深分布64
• 4.1.4 潮流水轮机作用64-66
• 4.2 模型验证66-67
• 4.2.1 局部网格加密66
• 4.2.2 单台水轮机能量获取66-67
• 4.3 单台水轮机尾流发展67-70
• 4.3.1 径向分布68-69
• 4.3.2 侧向分布69-70
• 4.4 小规模并排阵列70-72
• 4.4.1 潮流能变化70-71
• 4.4.2 尾流发展71-72
• 4.5 综合推力系数72-74
• 4.6 大规模阵列单排布置74-76
• 4.6.1 潮流能分布74-75
• 4.6.2 水位变化75-76
• 4.6.3 流速变化76
• 4.7 大规模阵列多排布置76-79
• 4.7.1 潮流能获取量分布76
• 4.7.2 水位变化76-77
• 4.7.3 流速变化77-79
• 4.8 本章小结79-81
• 第5章 水轮机阵列结构对潮流能的获取影响81-100
• 5.1 斋堂岛海域模型82-86
• 5.1.1 模型建立82-84
• 5.1.2 潮流能密度分布84-85
• 5.1.3 水轮机模型化85-86
• 5.1.4 潮流能获取量86
• 5.2 模型验证86-87
• 5.3 水轮机阵列布置87-88
• 5.3.1 布置位置87-88
• 5.3.2 结构形式88
• 5.4 单排布置88-90
• 5.5 多排布置90-91
• 5.5.1 阵列区域潮流能分布90
• 5.5.2 阵列结构对比90-91
• 5.6 潮流能获取量分布91-97
• 5.6.1 侧向间距的影响91-93
• 5.6.2 径向间距的影响93-94
• 5.6.3 结构形式影响94-96
• 5.6.4 水轮机数量影响96-97
• 5.7 周边流场变化97-98
• 5.8 本章小结98-100
• 第6章 结论与展望100-103
• 6.1 研究结论100-101
• 6.2 主要创新点101-102
• 6.3 研究展望102-103
• 参考文献103-111
• 致谢111-113
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果113-114

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本文编号：1114857