偏心椭圆柱绕流运动和流动规律的研究

发布时间：2020-07-06 10:41

【摘要】：随着能源需求的持续增加,环境与化石能源消费矛盾日益突出,可再生能源的开发是目前研究的热点。单一的可再生能源不能满足世界的能源需求。以海流能、风能为代表的可再生能源,其能量与流速的立方成正比,蕴藏量巨大。然而,当前的技术不能大规模并且高效的利用海流能,尤其是低流速海流能。本文提出利用椭圆柱绕流摆动提取海流能的装置,并通过试验和数值模拟开展了流固耦合特性和能量转化研究,对海洋海流能和低水头水能资源的开发利用提供科学的理论指导。椭圆柱绕流运动是绕固定轴的自激旋转,运动过程不断将来流动能转化为自激旋转椭圆柱的机械能,从而实现转化来流动能的目的。为了分析几何参数、运动参数以及来流的雷诺数对自激旋转椭圆柱的水动力和能量转化性能的影响,本文进行了如下研究工作:通过物理模型试验,研究了雷诺数,偏心距离比以及长短轴比对椭圆柱摆动角度以及摆动频率的影响。分析试验结果可知,雷诺数对椭圆柱的摆动角度影响不显著,但是雷诺数与椭圆柱的摆动频率呈良好的线性递增关系。椭圆柱的摆动角度随着偏心距离比和长短轴比的增大逐渐增大;偏心距离比和长短轴比对椭圆柱的摆动频率没有关系。采用计算流体动力学(CFD)—刚体动力学(RBD)耦合模型进行椭圆柱绕固定轴摆动的双向流固耦合数值模拟。基于动网格技术求解二维非定常不可压缩粘性流体N-S方程和SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型控制方程,研究不同长短轴比,不同偏心距离比以及不同雷诺数对椭圆柱绕流摆动的影响,分析椭圆柱表面旋涡的脱落和瞬时压力系数的变化。结果表明,流体绕流椭圆柱,其后部会产生周期性交替脱落的旋涡,从而在椭圆柱周围形成周期性的作用力,该作用力产生了绕轴的合力矩。椭圆柱在合力矩的作用下自激旋转。椭圆柱旋转可以带动周围流体旋转,使得椭圆柱表面的流体速度和压强发生变化。反映了流体和固体之间复杂的耦合作用。从能量角度出发,对椭圆柱体能量转化和流场所蕴含的能量进行理论计算,建立了能量转化效率的计算公式。讨论了雷诺数、偏心距离比以及长短轴比对椭圆柱系统的能量转化效率的影响。研究结果表明,椭圆柱系统的能量转化效率随着雷诺数、偏心距离比以及长短轴比的增大逐渐增大。圆柱系统的能量转化效率大于椭圆柱系统。此研究对低流速海流能和低水头水能资源的开发利用奠定了理论基础。
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P743.1
【图文】：

垂直轴,柔性叶片,水轮机,海试

即水头势能发电，而当前的这种发电方式原理与风力发电很相似，将海水流动的动能转变为机械能，再将机械能转变为电能（常征等 2012）。图1-1 水下涡轮发电装置Fig.1-1 Turbine-power equipment in ocean current generation根据水下涡轮发电机的叶轮轴线在流体中的布置方式，可以分为垂直轴式和水平轴式两种。近几年来，垂直轴式和水平轴式发电装置发展都比较迅速，但这种利用方式需要较高流速的水流。在垂直轴式发电装置方面，王树杰等（2009）通过风浪流水槽模型实验平台以及计算流体力学软件，考虑不同叶片形状、布置方式、结构形式以及安装方式等影响因素对柔性叶片水轮机进行模型实验和数值模拟，对垂直轴柔性叶片和水轮机的转子结构、运行参数以及各项性能等进行了优化配置。另外，设计优化了潮流能发电海试水轮机，研制的 5kW 海试样机，其水动力学性能良好。在流速为 1.7m/s 时

示意图,示意图,阻尼系统

‘b)质量弹簧一阻尼系统示意图

模块,涡激振动,流速,电能

式中：A 为响应振幅，由于涡激振动圆柱有顺流向和横流向两个自由度，所以响应振幅包括顺流向振幅和横向振幅。由于涡激振动现象是不规则的、非线性变化，研究这些参数对涡激振动的影响时，不能简单的将这些参数简单的叠加在一起。为了提高能量转换效率，Bernitsas和Raghava（2010）发明了VIVACE能量转换器，VIVACE是一种基于涡激振动获取清洁能源的转换装置。它是一个独特的流体动力学系统，依赖于“涡激振动”和常规的能量形式，如波浪、潮汐、涡轮机或水坝。此装置与水下涡轮机相比不需要相当大的流速，可以在较低的流速水流中工作。水流绕流圆柱，主要有两种运动形式：横流向运动和顺流向运动该装置可以把圆柱体涡激振动所产生的位移通过齿轮变速装置进而将机械能转变为动能，能够将动能转化为电能，能够传输电能以便于储存和使用。在高雷诺数下，此装置产生的能量效率可以达到30%。如图1-3所示。该刚性圆柱体直径为D、长度为L，两个支撑弹簧的刚度k/2，系统阻尼为c，流速方向在x方向上，圆柱体被放置在其轴线垂直于流速的z方向上。图1-4为多个圆柱组成的VIVACE能量转换装置，此装置可以将海洋海流能转化为电能，并加以储存。

【参考文献】