悬浮式水平轴潮流能水轮机的水动力性能分析

发布时间：2017-10-31 10:36

  本文关键词：悬浮式水平轴潮流能水轮机的水动力性能分析

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【摘要】：本文以一种新型悬浮式轴流潮流能水轮机结构为研究,基于商业软件ANSYS Workbench平台的多个模块,设计计算流程,分析水轮机叶轮的流-固耦合方法和参数化设计方法,重点研究了水轮机叶片的压力脉动、叶轮疲劳和水轮机叶轮的优化这三方面。首先,基于单、双向流固耦合方法,对水平轴潮流能水轮机的叶轮实施三维数值模拟。以研究水轮机周围流场的非定常流动,得出在三种不同工况下水轮机叶轮的应变特征、各监测点的水压力脉动特性和频域振动特性。其次,基于ANSYS Workbench平台并利用流固耦合方法与疲劳寿命仿真相结合的方式,来综合分析水轮机叶片的疲劳寿命,大大简化了疲劳寿命计算的复杂步骤。流固耦合方法使流体与固体之间可以通过数据进行相互传递,从根本上解决了在曲面的叶片上加载疲劳载荷时的困难,减小了利用等效替代方法计算疲劳载荷时所带来的误差。提取瞬态过程中水轮机叶片上的危险点的动应力随时间变化的历程,再将其转化为等效应力之后加载为动应力时间历程进行求解计算。最后,把水轮机的转动惯矩、转速、与来流速度通过优化算法结合起来综合计算,为水轮机的设计提供设计依据。同时可从整体上优化水轮机能量利用效率,使其效率最大化,降低水轮机的使用成本,提高悬浮式水平轴潮流能水轮机整体性能的竞争力。
【关键词】：潮流能水轮机 流固耦合 压力脉动 疲劳寿命 优化设计
【学位授予单位】：浙江海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK730.1
【目录】：

• 摘要8-9
• ABSTRACT9-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 国内外研究现状12-14
• 1.2.2 水轮机相关研究的国内外研究现状14-16
• 1.3 目的与意义16-17
• 1.4 工作内容17-19
• 第二章 水平轴水轮机理论基础19-39
• 2.1 水平轴水轮机的工作原理19-21
• 2.1.1 水平轴水轮机叶轮的捕能原理19-21
• 2.2 计算流体动力学方法21-23
• 2.2.1 质量守恒定律21-22
• 2.2.2 动量守恒定律22
• 2.2.3 能量守恒定律22-23
• 2.3 结构强度计算方法23-24
• 2.3.1 结构静力学方程23
• 2.3.2 瞬态动力学分析理论23-24
• 2.4 流固耦合理论24-27
• 2.4.1 ANSYS流固耦合分析24-25
• 2.4.2 基于ANSYS流固耦合实现方法25
• 2.4.3 单向流固耦合25-26
• 2.4.4 双向流固耦合26-27
• 2.5 时域与频域求解27-29
• 2.6 叶轮疲劳分析的理论基础29-35
• 2.6.1 疲劳分析理论的基本概述29-30
• 2.6.2 疲劳分析的设计方法30-35
• 2.7 水轮机优化设计的理论基础35-39
• 2.7.1 优化设计相关软件与工作环境的介绍35
• 2.7.2 优化方法与CAE35-37
• 2.7.3 AWE环境下优化的特点37-39
• 第三章 潮流能水轮机叶轮压力脉动特性分析39-55
• 3.1 引言39-40
• 3.2 水轮机模型的建立40-41
• 3.3 计算模型建立41-42
• 3.3.1 网格建立与边界条件的设定41-42
• 3.3.2 计算求解42
• 3.4 计算结果分析42-54
• 3.4.1 应变结果分析42-43
• 3.4.2 应力结果分析43-45
• 3.4.3 压力脉动分析45
• 3.4.4 叶片正面的压力脉动分析45-49
• 3.4.5 叶片背面的压力脉动分析49-54
• 3.5 本章小结54-55
• 第四章 潮流能水轮机叶轮疲劳分析55-62
• 4.1 引言55-56
• 4.2 叶轮疲劳分析的求解设定56-61
• 4.2.1 疲劳载荷的加载56-57
• 4.2.2 疲劳载荷时间历程的加载57
• 4.2.3 疲劳分析的计算求解57-58
• 4.2.4 疲劳寿命计算的结果分析58-61
• 4.3 本章小节61-62
• 第五章 潮流能水轮机的优化设计62-70
• 5.1 引言62-63
• 5.2 水轮机优化设计的模型的建立63-65
• 5.2.1 水轮机优化设计模块的建立63-64
• 5.2.2 水轮机优化设计的网格划分64
• 5.2.3 水轮机优化设计边界条件的设置64-65
• 5.3 水轮机优化设计的结果分析65-69
• 5.3.1 速度与各参数的优化关系65-66
• 5.3.2 转速与各参数的优化关系66-69
• 5.4 本章小结69-70
• 第六章 总结与展望70-72
• 6.1 总结70
• 6.2 展望70-72
• 参考文献72-77
• 致谢77-78
• 在读期间发表的学术论文及研究成果78

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本文编号：1122010