基于鲨鱼鳍的水平轴潮流能水轮机仿生叶片研究

发布时间：2017-05-08 08:17

  本文关键词：基于鲨鱼鳍的水平轴潮流能水轮机仿生叶片研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：叶片是水平轴潮流能水轮机的核心部件，其效率的高低对潮流能的利用率有着重要影响。目前，众多研究者对潮流能水轮机叶片的性能优化进行了积极探索，而鲨鱼经过漫长的自然进化成为海洋鱼类中游速较快的杰出代表，其外形结构和运动方式都非常适合水下生存，具有超凡的水中运动能力。生物学的研究表明，鲨鱼的这种游动能力主要得益于其尾鳍和胸鳍的性能。本文拟将鲨鱼鳍的优异水动力性能应用于水平轴潮流能水轮机叶片，以期从仿生学角度提高水轮机性能。 本文以成年的黑印真鲨为研究对象，利用逆向技术，通过三维光学扫描仪取得了鲨鱼鱼鳍的三维坐标，得到了鲨鱼鱼鳍的样本点云数据和鱼鳍生物特征，通过逆向软件模块对原始数据的处理，得到了鱼鳍叶片曲面，建立起鲨鱼鳍的三维数字模型，从而得到水平轴潮流能水轮机叶片的仿生模型。应用计算流体力学CFD和WORKBENCH软件对仿生叶片进行水动力性能分析，研究了仿生叶片的功率系数和流场特性，得到了不同工况下的叶片的转矩和功率，得出了使仿生鱼鳍叶片获能系数最高的桨距角，从而确定了建立仿鱼鳍水轮机模型所需要的唯一变量——叶片弦长跟叶轮旋转平面之间的位置关系，建立起仿鲨鱼胸鳍、尾鳍水轮机三维模型。 进而采用CFD方法模拟了两种仿生叶轮的水动力性能，得到了仿生叶轮的性能参数跟流场分布。基于本科研团队先前根据传统叶素动量理论设计出的水轮机，与仿生水轮机进行水动力性能对比分析。数值模拟深层揭示仿生叶片在额定外部水流条件下的压力跟速度分布。得到结论：仿鱼鳍水轮机在低尖速比一定范围内获能系数高于标准叶片，仿胸鳍叶轮在更多尖速比范围内优于仿尾鳍叶轮，获能更大；从扭矩系数角度分析，在同工况下，仿生水轮机扭矩系数低于标准水轮机，说明实际运行中需要更大的水流速启动仿生水轮机。在低尖速比范围内，仿生水轮机在一定工况内可以有效提高水轮机能量效率，增加发电量，但轴向力也相应增加，压力分布不稳定。在实际工程应用中要按照需求综合平衡考虑。 根据以上成果，论文进行了仿生鱼鳍叶轮的模型加工制作（根据第三章得出的叶轮最优桨距角）、实验测试的装备、控制系统，，实验方案和测试内容。对仿生鱼鳍叶轮进行了水动力性能测试，以标准叶片作为对比，从实验角度对仿生叶片的性能进行了分析，实验结果与数值仿真结果数据相吻合，趋势具有一致性，数值仿真结果相对正确。这些研究测试方法和结论对仿生学应用于潮流能水轮机的后续研究提供了参考价值。本文的研究为潮流能水轮机叶片的研究提供了新思路，对潮流能的开发和推广应用具有一定积极作用和指导意义。
【关键词】：鲨鱼鳍 潮流能 水轮机 仿生叶片 逆向工程 模型试验
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TK730.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 主要符号说明9-14
• 1 绪论14-22
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 水平轴水轮机发展现状15-16
• 1.3 仿生技术在相关领域中的应用16-19
• 1.4 研究的目的及内容19-22
• 1.4.1 研究目的19
• 1.4.2 研究内容19-20
• 1.4.3 研究路线20-22
• 2 仿鱼鳍叶片数字模型建立22-32
• 2.1 研究对象的确定22-23
• 2.1.1 鱼鳍分类22-23
• 2.1.2 鱼类游动模式23
• 2.1.3 研究对象——鲨鱼的胸鳍尾鳍23
• 2.2 逆向工程技术23-25
• 2.2.1 逆向工程23-24
• 2.2.2 逆向软件24-25
• 2.3 生物特征的提取25-27
• 2.3.1 提取设备25
• 2.3.2 样本处理25-27
• 2.3.3 采集过程27
• 2.4 数据处理27-31
• 2.4.1 点云处理28-29
• 2.4.2 多边形编辑29-31
• 2.4.3 数字模型31
• 2.5 本章小结31-32
• 3 仿鱼鳍水轮机叶片设计与分析32-56
• 3.1 水轮机的特性系数32-33
• 3.2 设计参数确定33-35
• 3.3 仿鱼鳍叶片分析目的35-37
• 3.4 仿鱼鳍叶片分析方法37-39
• 3.4.1 CFD 方法介绍38
• 3.4.2 ANSYS WORKBENCH 方法介绍38-39
• 3.5 仿鱼鳍叶片分析流程39-46
• 3.5.1 Gambit 建立计算域——旋转域、流体域39-40
• 3.5.2 Workbench 划分网格40-43
• 3.5.3 Fluent 进行水动力性能分析43-46
• 3.6 结果输出与对比分析46-55
• 3.6.1 仿生叶片转矩对比分析46-51
• 3.6.2 压力分布对比分析51-54
• 3.6.3 不同桨距角下绕流特性比较54-55
• 3.7 本章小结55-56
• 4 仿鱼鳍叶片水轮机水动力性能分析56-68
• 4.1 仿生水轮机模型的建立56
• 4.2 对比标准的选取56-59
• 4.2.1 标准水轮机的设计方法陈述56-57
• 4.2.2 标准水轮机性能57-59
• 4.3 仿生水轮机水动力性能研究59-62
• 4.3.1 分析流程59-61
• 4.3.2 结果输出61-62
• 4.4 与标准叶轮对比分析62-64
• 4.4.1 获能系数 C_P 分析62-63
• 4.4.2 轴向力系数 C_F 分析63
• 4.4.3 扭矩系数 C_T 分析63-64
• 4.5 流动特性分析64-66
• 4.5.1 压力分布64-66
• 4.5.2 速度分布66
• 4.6 本章小结66-68
• 5 仿生叶轮成型与模型试验68-85
• 5.1 引言68
• 5.2 仿生叶轮模型加工68-75
• 5.2.1 叶轮模型的加工方法68-69
• 5.2.2 叶轮模型的快速成型加工69-75
• 5.2.2.1 仿生水轮机模型的优化69-70
• 5.2.2.2 文件检测与分层处理70-71
• 5.2.2.3 快速成型原材料71-72
• 5.2.2.4 快速成型操作过程72-75
• 5.3 水轮机传动结构和实验装备75-78
• 5.3.1 实验装备76-78
• 5.3.2 测量控制系统78
• 5.4 仿生水轮机模型试验与分析78-79
• 5.4.1 测试目的与方法78-79
• 5.4.2 实验内容与步骤79
• 5.5 试验结果分析79-84
• 5.5.1 自启动性能79-80
• 5.5.2 水动力性能80-84
• 5.6 本章小结84-85
• 6 结论与展望85-87
• 6.1 论文主要研究工作85-86
• 6.2 创新点86
• 6.3 不足与展望86-87
• 参考文献87-90
• 致谢90-91
• 个人简历91-92
• 发表学术论文92-93

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 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

2 何耀华;周丹;;CATIA软件在车身曲面重构中的应用[J];CAD/CAM与制造业信息化;2006年11期

3 刘小民;汤虎;王星;席光;高德康;;苍鹰翼尾缘结构的单元仿生叶片降噪机理研究[J];西安交通大学学报;2012年01期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 华欣;海鸥翅翼气动性能研究及其在风力机仿生叶片设计中的应用[D];吉林大学;2013年

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本文编号：350800