潮流能水轮机叶片设计及其性能研究

发布时间：2017-04-21 06:43

  本文关键词：潮流能水轮机叶片设计及其性能研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着传统能源的消耗和环境保护要求的增加，作为一种清洁而且储量充足的可再生能源，许多国家对潮流能的开发利用也越来越关注。水平轴潮流能水轮机作为常用的捕能装置，它将潮流能转化为自身叶轮的动能并带动发电机做功发电。其中，叶片是叶轮的关键部件，其性能的好坏直接影响着叶轮的捕能效率，这也使得对叶片的优化设计及其性能的分析变得尤为重要。本文参照实验室现有简单潮流能水轮机模型，运用数值模拟和理论计算的方法开展了叶片翼型性能、叶片设计以及叶轮水动力性能与结构性能的分析研究。主要包括以下内容： 首先，综述了国内外大量的潮流能水轮机研究相关的文献资料，对世界各国潮流能开发技术和一些相关工程项目的基本情况进行了介绍； 其次，参照螺旋桨、风力发电等装置的叶片设计，基于叶素—动量理论，以达到能量的最大捕获为目的，得出潮流能水轮机叶片设计的数学模型，，给出了对叶片进行设计的基本步骤；运用CFD技术预测了叶片翼型水动力性能，探讨了边界层网格划分对于数值模拟计算精确性的影响，同时得到其相关的升、阻力系数与压力系数曲线、压力分布及流线图，为后期设计叶片奠定基础； 然后，运用MATLAB软件计算出叶片各截面翼型的相关参数，并且对求出的各截面翼型的弦长、扭角进行了修正以使叶片结构能够光滑过渡；根据所得叶片结构参数，分别以翼型前缘和翼型最大厚度为基准，运用SolidWorks软件建立了两种叶片几何模型，同时建立了相应的叶轮几何模型； 最后，运用CFD方法对两种叶轮模型在设计流速下工作时的捕能效果进行了探讨、对比，获得捕能效果较优的一种叶轮模型，并对其在一定流速范围内进行了流固耦合分析，得到了相应的功率和轴向推力曲线、捕能系数和轴向推力系数曲线；同时，对叶轮结构性能也进行了分析，获得了叶轮结构的应力及变形分布。这些结果均可以为叶轮结构的设计提供重要的参考依据。
【关键词】：水平轴潮流能水轮机 翼型 叶片设计 能量最大捕获 流固耦合分析
【学位授予单位】：浙江海洋学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK730.3
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-13
• 第一章 前言13-26
• 1.1 潮流能研究背景13-15
• 1.2 潮流能发电发展现状15-17
• 1.3 潮流能利用技术17-22
• 1.3.1 水平轴潮流能水轮机17-20
• 1.3.2 竖轴潮流能水轮机20
• 1.3.3 升力—阻力型潮流能水轮机20-21
• 1.3.4 振荡式水翼潮流能装置21-22
• 1.4 潮流能水轮机叶片研究现状22-24
• 1.4.1 叶片选取的研究23
• 1.4.2 翼型选取的研究23-24
• 1.5 本文主要工作24-26
• 第二章 水平轴潮流能水轮机叶片设计基本理论26-31
• 2.1 动量理论26-27
• 2.2 叶素理论27-28
• 2.3 叶素—动量(BEM)理论28-29
• 2.4 基于BEM理论的叶片设计基本步骤29-30
• 2.5 本章小结30-31
• 第三章 水平轴潮流能水轮机叶片翼型动力特性的研究31-49
• 3.1 翼型的基本理论31-36
• 3.1.1 翼型的基本几何参数31-32
• 3.1.2 不同翼型族的介绍32-33
• 3.1.3 翼型的动力特性33-35
• 3.1.4 影响翼型动力性能的因素35-36
• 3.2 运用CFD软件对翼型动力特性的数值模拟36-47
• 3.2.1 CFD基本介绍36-37
• 3.2.2 利用CFX对翼型动力特性数值模拟37-40
• 3.2.3 数值模拟结果40-47
• 3.3 本章小结47-49
• 第四章 叶片的设计与建模49-55
• 4.1 叶片的设计49-52
• 4.1.1 计算模型及其约束条件49
• 4.1.2 利用已知参数进行求解49-52
• 4.2 叶片三维实体的建模52-54
• 4.2.1 SolidWorks软件基本介绍52-53
• 4.2.2 利用SolidWorks软件进行叶轮建模53-54
• 4.3 本章小结54-55
• 第五章 叶轮捕能效率分析55-62
• 5.1 叶轮效率理论分析55-58
• 5.2 利用CFD方法对叶轮水动力性能的数值模拟58-61
• 5.2.1 模型的前处理58-59
• 5.2.2 数值模拟结果与分析59-61
• 5.3 本章小结61-62
• 第六章 叶轮的流固耦合分析62-73
• 6.1 流固耦合分析基础62-63
• 6.2 ANSYS Workbench基本介绍63
• 6.3 潮流能水轮机叶轮的流固耦合分析63-72
• 6.3.1 计算模型的建立63-65
• 6.3.2 叶轮的单、双向流固耦合对比分析65-72
• 6.4 本章小结72-73
• 第七章 总结与展望73-75
• 7.1 论文总结73
• 7.2 工作展望73-75
• 参考文献75-78
• 致谢78-79
• 在读期间发表的学术论文及研究成果79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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2 张亮;罗庆杰;韩荣贵;;垂直轴潮流能水轮机叶片偏角优化[J];哈尔滨工业大学学报;2011年S1期

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4 李冬;王树杰;赵龙武;鹿兰帅;;柔性叶片水轮机力学性能测算方法研究[J];水电能源科学;2008年02期

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本文编号：319741