潮流能模型级水力涡轮叶型与性能研究

发布时间：2017-10-06 17:31

  本文关键词：潮流能模型级水力涡轮叶型与性能研究

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【摘要】：21世纪是海洋的世纪。近年来,我国加大了对潮流能的开发工作,因此对其能量转换装置提出了新的要求。本文借鉴风力机叶片设计方法,综合运用叶素动量方法、计算流体动力学和试验研究等方法,针对我国海水流速范围内的水力涡轮叶片进行优化设计、水动力性能研究和模型试验研究。本文以20w模型级水力涡轮设计为出发点,首先从已有的研究着手,总结了近年来国内外潮流能利用以及水力涡轮的研究概况,归纳了水力涡轮叶片设计以及性能研究方法,提出研究内容,制定技术路线,并介绍了叶片设计和叶片性能分析相关理论。根据翼型理论,借助Qblade计算软件对选取的翼型进行性能分析,性能达标后确定为设计翼型；根据叶片优化设计理论,对20w水力涡轮叶型进行设计；根据叶素动量理论,对叶片进行初步性能分析；借助MATLAB软件,对叶型进行优化；利用叶素动量理论对优化后的叶片进行性能分析,验证优化结果。采用CFD方法,借助NUMECA三维数值模拟软件对叶片性能及流场细节进行研究,分析环境因素对水力涡轮性能的影响,并以提升功率为目标加装导流罩。通过有限元法,对叶片进行模态分析,确保试验中水力涡轮能够正常运行。此外,搭建水力涡轮测试平台,针对水力涡轮性能影响因素进行了相关试验,通过试验数据验证了叶片设计的正确性和CFD数值模拟的可预测性。
【关键词】：潮流能发电 叶片设计 叶片优化 CFD 性能试验
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK730
【目录】：

• 学位论文数据集4-5
• 摘要5-7
• ABSTRACT7-17
• 符号说明17-18
• 第一章 绪论18-28
• 1.1 本文的研究背景及意义18-19
• 1.2 国内外潮流能发展现状19-23
• 1.2.1 潮流能开发现状19-22
• 1.2.2 核心设备——水力涡轮简介22-23
• 1.3 水力涡轮叶片研究现状23-25
• 1.3.1 水力涡轮翼型研究现状23-24
• 1.3.2 水力涡轮叶片设计研究现状24
• 1.3.3 水力涡轮水动力性能研究现状24-25
• 1.4 本文研究内容和技术路线25-27
• 1.4.1 研究内容25-26
• 1.4.2 技术路线26-27
• 1.5 本文难点问题27-28
• 第二章 水力涡轮叶片设计及性能分析理论28-42
• 2.1 水力涡轮翼型理论28-29
• 2.1.1 翼型参数28-29
• 2.1.2 翼型性能参数29
• 2.2 水力涡轮水动力性能参数29-30
• 2.3 水力涡轮叶片设计理论30-38
• 2.3.1 贝茨理论(betz)30-33
• 2.3.2 动量理论33-35
• 2.3.3 叶素理论35-36
• 2.3.4 叶素动量理论36-37
• 2.3.5 Wilson叶片设计模型37-38
• 2.4 计算流体力学38-41
• 2.4.1 NUMECA38-39
• 2.4.2 控制方程39-40
• 2.4.3 湍流模型40
• 2.4.4 数值计算方法40
• 2.4.5 边界条件的处理40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第三章 叶片优化设计42-64
• 3.1 叶片设计参数43-44
• 3.1.1 水力涡轮功率43
• 3.1.2 水流速度43
• 3.1.3 叶尖速比43-44
• 3.1.4 叶片数目44
• 3.1.5 水力涡轮功率系数44
• 3.1.6 叶片半径44
• 3.2 翼型选择44-52
• 3.2.1 翼型基本性能45-48
• 3.2.2 介质对翼型性能的影响48-49
• 3.2.3 翼型的压力系数49-52
• 3.3 Wilson叶片设计方法52-61
• 3.3.1 Wilson模型52-55
• 3.3.2 计算结果及BEM性能计算55-58
• 3.3.3 叶型优化58-61
• 3.3.4 水力涡轮变桨距角性能计算61
• 3.4 叶片的三维实体建模61-63
• 3.4.1 空间坐标变换61-62
• 3.4.2 三维实体建模62-63
• 3.5 本章小结63-64
• 第四章 水力涡轮水动力性能分析64-96
• 4.1 水力涡轮数值模型64-70
• 4.1.1 物理模型64
• 4.1.2 计算域的确定64-65
• 4.1.3 有限元网格65-68
• 4.1.4 边界条件设定68-69
• 4.1.5 收敛判定69-70
• 4.2 结论分析70-80
• 4.2.1 水力涡轮性能参数70-72
• 4.2.2 速度分析72-74
• 4.2.3 压力分析74-76
• 4.2.4 截而流线与压力分析76-80
• 4.3 复杂工况下水力涡轮性能80-85
• 4.3.1 流速影响80-81
• 4.3.2 偏航影响81-83
• 4.3.3 空化影响83-85
• 4.4 导流罩性能分析85-91
• 4.4.1 导流罩物理模型85-87
• 4.4.2 导流罩网格87
• 4.4.3 导流罩流场及性能分析87-89
• 4.4.4 不同开口角导流罩89-90
• 4.4.5 加装导流罩的水力涡轮性能分析90-91
• 4.5 水力涡轮叶片模态分析91-95
• 4.6 本章小结95-96
• 第五章 试验研究96-106
• 5.1 试验水槽方案初选96
• 5.2 试验仪器仪表96-100
• 5.3 试验数据采集与分析100-105
• 5.3.1 水力涡轮性能试验101
• 5.3.2 水力涡轮变流速试验101-102
• 5.3.3 水力涡轮变桨距角试验102-104
• 5.3.4 不同宽度叶片启动特性试验104-105
• 5.4 本章小结105-106
• 第六章 总结与展望106-109
• 6.1 总结106-107
• 6.2 展望107-109
• 参考文献109-113
• 附录113-114
• 致谢114-115
• 研究成果及所发表的学术论文115-116
• 作者和导师简介116-117
• 附件117-118

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本文编号：984076