水平轴潮流能水轮机叶片设计及其水动力性能研究

发布时间：2017-07-28 19:32

  本文关键词：水平轴潮流能水轮机叶片设计及其水动力性能研究

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【摘要】：自上世纪以来,伴随着煤炭、石油、天然气等传统能源的不断枯竭和人们对环保要求的不断提高,世界各国对新能源的开发和利用越来越重视。潮流能是一种清洁、无污染并且蕴藏丰富的可再生新能源,对其合理的开发和利用能有效的缓解能源危机,在近年来越来越受到人类的的关注和重视。潮流能获取装置——水轮机,是潮流能发电站的关键部分,影响着整个发电系统的性能。水轮机叶片受到升力作用驱动而旋转,进而带动发电机发电,是潮流能发电装置中最基础、最为关键的部件。作为直接承受水动力的装置,潮流能水轮机叶片的水动力性能直接关系到其能量捕获效率,因此如何设计出合理、高效的叶片外形结构是潮流能水轮机设计的首要目标。鉴于水轮机叶片是水轮机获取潮流能的关键部件,以提高潮流能水轮机能量捕获效率为目标,本文研究了叶片外形装置对潮流能水轮机捕能效率性能的影响。以功率为50W的水轮机叶片为基本模型,本文采用翼刀和翼尖小翼装置改善水轮机叶片叶片水动力性能,并运用叶素-动量理论和流体计算力学(CFD)数值模拟方法研究新型叶片对水轮机水动力效率性能的影响。本文首先就世界能源形势,阐述潮流能研究的背景及意义以及发电技术研究现状,了解国内外潮流水轮机研究进展情况,借鉴成功经验,总结研究中存在的问题以及未解决的技术难题,明确研究重点方向;其次介绍经典叶素-动量理论,分析潮流能水轮机工作原理,探讨水轮机叶片设计及其性能分析方法,给出叶片设计详细步骤;再次对潮流能水轮机叶片翼型及影响其动力特性的因素进行介绍和研究,并运用CFD技术对翼型相关性能进行数值模拟计算,得到NACA63-4xx翼型系列升力系数、阻力系数和升阻比特性及翼型周围流场分布,为叶片截面翼型选择提供参考依据;然后依据水轮机叶片设计原理,采用Matlab软件计算叶片的几何参数,并对参数进行修正,根据所得参数,以气动中心为基准,运用CATIA三维造型软件建立水轮机叶片基本模型并运用CFD方法模拟仿真其水动力性能,并与理论计算结果进行对比分析,验证叶片设计方法的有效性;最后采用翼刀和翼尖小翼装置对潮流能水轮机叶片外形进行设计并运用理论分析和CFD数值模拟方法研究新型叶片对水轮机水动力效率性能的影响。数值模拟结果表明翼刀和翼尖小翼能够改善潮流能水轮机的水动力性能。相比翼刀技术,翼尖小翼装置对水轮机水动力效率性能影响更大,不仅更快的减弱了涡流对水轮机尾部速度的影响,提高单位水域面积的水轮机获能性能,表明运用翼尖小翼装置来改善水轮机水动力效率性能的方法是更可取的。
【关键词】：潮流能 水轮机 计算流体力学 叶片 翼刀 翼尖小翼
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK730
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 潮流能研究的背景及意义10-14
• 1.2 国内外潮流能发电研究现状14-15
• 1.3 潮流能利用技术研究15-19
• 1.3.1 水轮机分类15-17
• 1.3.2 水轮机叶片研究现状17-18
• 1.3.3 水轮机水动力研究现状18-19
• 1.4 课题来源和主要要研究内容及创新点19-22
• 1.4.1 课题来源19-20
• 1.4.2 研究内容及创新点20-22
• 第2章 水平轴潮流能水轮机叶片设计理论基础22-29
• 2.1 动量理论22-25
• 2.2 叶素理论25-26
• 2.3 叶片设计的数学模型26-28
• 2.3.1 叶素 -动量理论26-27
• 2.3.2 基于叶素-动量理论的水轮机叶片设计数学模型27-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第3章 水轮机叶片翼型动力特性研究29-43
• 3.1 水轮机叶片翼型的基础理论29-33
• 3.1.1 叶片翼型的几何参数29-30
• 3.1.2 叶片翼型族的介绍30-31
• 3.1.3 叶片翼型的动力特性31-32
• 3.1.4 影响叶片翼型动力性能的因素32-33
• 3.2 运用CFD软件对水轮机叶片翼型动力性能进行研究33-39
• 3.2.1 CFD方法介绍33-34
• 3.2.2 CFD计算数学模型34-37
• 3.2.3 数值模拟前处理37-39
• 3.3 仿真模拟结果及分析39-41
• 3.4 本章小结41-43
• 第4章 水平轴潮流能水轮机叶片设计及其性能研究43-57
• 4.1 水轮机叶片的设计43-47
• 4.1.1 叶片计算模型及其约束条件43
• 4.1.2 水轮机叶片设计步骤43-44
• 4.1.3 水轮机叶片结构设计44-47
• 4.2 水轮机叶片截面坐标变换47-48
• 4.2.1 坐标变换的原理47-48
• 4.2.2 坐标变换过程48
• 4.3 水轮机叶片三维模型的建立48-50
• 4.4 水轮机叶片水动力性能理论分析50-52
• 4.5 基于CFD方法对水轮机能进行数值模拟分析52-56
• 4.5.1 基本模型前处理52-54
• 4.5.2 仿真模拟结果及分析54-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 水平轴潮流能水轮机叶片设计改进方法研究57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 翼刀技术应用于潮流能水轮机叶片设计57-59
• 5.2.1 翼刀装置的概念及其作用57-58
• 5.2.2 潮流能水轮机叶片改进方案一58-59
• 5.3 翼尖小翼技术应用于潮流能水轮机叶片设计59-62
• 5.3.1 翼尖小翼技术的概念及其工作原理59-60
• 5.3.2 潮流能水轮机叶片改进方案二60-62
• 5.4 水轮机叶片改进方案水动力性能研究62-65
• 5.4.1 叶片表面压力数据对比分析62-63
• 5.4.2 速度流场数据对比分析63-65
• 5.4.3 捕能系数Cp数据对比分析65
• 5.5 本章小结65-67
• 总结与展望67-70
• 参考文献70-76
• 致谢76-78
• 附录A 攻读硕士学位期间发表的学术论文78

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本文编号：585718