基于CFD的水平轴海流能水轮机叶片设计及水动力学特性研究

发布时间：2017-08-31 20:14

  本文关键词：基于CFD的水平轴海流能水轮机叶片设计及水动力学特性研究

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【摘要】：海流能作为一种清洁可再生能源,对解决日益严重的能源危机和实现可持续发展具有重大意义。本论文以海流能利用中一种重要的动力转换装置——水平轴海流能水轮机为研究对象,开展了叶片优化设计、水动力学特性分析以及流场数值模拟等一系列研究工作。各章节的主要内容如下：第一章首先交代了本论文的课题来源和研究的背景、意义,接着对海洋能的种类、特点等作了基本介绍,对海流能主要的分布情况进行了叙述,分别从国内外两个角度,对海流能的研究利用现状展开了讨论。然后针对海流能水轮机叶片的基本理论及设计方法进行了阐述。并对海流能水轮机叶片的水动力学特性研究进展情况进行了阐述,就目前国内外主要的科研和试验成果进行了归纳总结。最后,介绍了本文每一章的主要内容。第二章首先介绍了计算流体动力学(CFD)中用于数值求解的基本控制方程,包括质量守恒方程、动量守恒方程以及湍流模型。其次,介绍了数值计算在时空上的离散方法。最后,介绍了速度-压力耦合求解的方法。第三章首先介绍了关于翼型的基本知识和几何参数,利用CFD方法找到了翼型的最佳攻角。其次,利用MATLAB对Wilson设计法进行编程优化计算,得到了各个截面翼型的参数。最后利用空间坐标转换公式,得到各个截面翼型的空间点坐标,进而获得叶片的三维实体模型。第四章针对定常情况下的三维叶片进行了水动力学特性分析和流场分布特性分析。分别研究了设计工况下、非设计工况下和变桨距角工况下叶片的功率系数、扭矩系数和轴向力系数等随着叶尖速比和桨距角变化的规律以及流场分布特性。第五章针对非定常情况下的三维叶片进行了水动力学特性分析和流场、湍流量演化特性分析。分别对叶片的功率系数、扭矩系数、轴向力系数、侧向受力系数以及叶片迎流面、叶片背流面和不同截面的静压强、动压强、涡量、湍动能、湍流粘性比的统计特征值进行了对比分析,同时展示了一些水动力学特性参数和流场变量的时空演化特征。第六章对整篇论文的研究工作进行了总结和归纳,并提出了对未来研究工作的展望。
【关键词】：水平轴海流能水轮机 计算流体动力学 叶片设计 水动力学特性 数值模拟
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK730.3
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-32
• 1.1 课题来源及研究意义13
• 1.1.1 课题来源13
• 1.1.2 研究意义13
• 1.2 海流能概述13-19
• 1.2.1 海流能简介13-15
• 1.2.2 海流能的分布情况15-17
• 1.2.3 海流能发电简介17-19
• 1.3 海流能研究利用现状19-23
• 1.3.1 国外海流能研究利用现状19-22
• 1.3.2 国内海流能研究利用现状22-23
• 1.4 海流能水轮机叶片设计基本理论23-29
• 1.4.1 贝茨理论23-25
• 1.4.2 涡流理论25-26
• 1.4.3 叶素理论26-27
• 1.4.4 动量理论27-28
• 1.4.5 叶素-动量理论28-29
• 1.4.6 Wilson设计法29
• 1.5 海流能水轮机水动力学特性研究进展29-30
• 1.6 论文研究的主要内容30-31
• 1.7 本章小结31-32
• 第二章 控制方程及数值计算方法32-44
• 2.1 控制方程32-35
• 2.1.1 质量守恒方程32
• 2.1.2 动量守恒方程32
• 2.1.3 湍流模型32-35
• 2.2 数值时空离散方法35-40
• 2.2.1 流体控制方程的有限体积离散36-40
• 2.2.2 流体控制方程的时间离散40
• 2.3 速度-压力耦合方程求解方法40-43
• 2.3.1 流场数值计算的主要方法40-42
• 2.3.2 离散代数方程组的基本解法42
• 2.3.3 动静干涉区域中流动问题的数值模拟42-43
• 2.4 本章小结43-44
• 第三章 海流能水轮机三维叶片设计44-66
• 3.1 翼型的基本参数44-47
• 3.1.1 翼型的几何参数44
• 3.1.2 NACA翼型简介44-45
• 3.1.3 翼型的动力学特性45-46
• 3.1.4 影响翼型动力学特性的因素46-47
• 3.2 基于CFD的翼型最佳攻角设计47-58
• 3.2.1 翼型的选择47-49
• 3.2.2 计算域及网格划分49-51
• 3.2.3 边界条件的设置51-52
• 3.2.4 求解控制参数的设定52-53
• 3.2.5 升阻系数及升阻比分析53-55
• 3.2.6 压力分布55
• 3.2.7 流线分离55-58
• 3.3 三维叶片设计流程及基本参数的确定58-60
• 3.3.1 三维叶片设计流程58-59
• 3.3.2 基本参数59-60
• 3.4 三维叶片参数的优化计算及修正60-63
• 3.4.1 Wilson设计法步骤60
• 3.4.2 MATLAB求解计算60-61
• 3.4.3 弦长和扭角的修正61-63
• 3.5 三维叶片的三维坐标转换63
• 3.6 叶片的实体模型63-65
• 3.7 本章小结65-66
• 第四章 海流能水轮机水动力学特性研究66-84
• 4.1 计算参数的设置66-69
• 4.1.1 计算域及网格划分66-67
• 4.1.2 边界条件的设置67-69
• 4.2 设计工况下水动力学特性分析及流场分布特性分析69-74
• 4.2.1 水动力学特性分析69-70
• 4.2.2 压强分布70-72
• 4.2.3 X方向速度分布72
• 4.2.4 速度矢量分布72-73
• 4.2.5 湍动能分布73-74
• 4.3 非设计工况下的水动力学特性分析及流场分布特性分析74-81
• 4.3.1 水动力学特性分析74-77
• 4.3.2 压强分布77-79
• 4.3.3 湍动能分布79
• 4.3.4 流线图79-81
• 4.4 变桨距角下的水动力学特性分析及流场分布特性分析81-83
• 4.5 本章小结83-84
• 第五章 海流能水轮机三维非定常数值模拟84-97
• 5.1 计算参数的设置84
• 5.2 水动力学特性分析84-89
• 5.2.1 统计特征值84-85
• 5.2.2 功率系数85
• 5.2.3 扭矩系数85-86
• 5.2.4 轴向力系数86-88
• 5.2.5 侧向受力系数88-89
• 5.3 流场演化特性分析89-93
• 5.3.1 统计特征值89-91
• 5.3.2 静压强91-92
• 5.3.3 动压强92
• 5.3.4 涡量92-93
• 5.4 湍流量演化特性分析93-96
• 5.4.1 统计特征值93-94
• 5.4.2 湍动能94
• 5.4.3 湍流粘性比94-96
• 5.5 本章小结96-97
• 第六章 总结与展望97-99
• 6.1 论文总结97-98
• 6.2 工作展望98-99
• 参考文献99-105
• 致谢105-106
• 作者简历及攻读硕士学位期间的主要科研成果106

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本文编号：767668