轮机式浪流发电装置的设计与数值模拟研究

发布时间：2018-03-08 20:01

  本文选题：海洋可再生能源　切入点：水轮机　出处：《上海海洋大学》2014年硕士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着全球经济的飞速发展，传统不可再生的化石燃料也伴随着工业的发展而逐渐消耗殆尽，能源危机日益加剧，而我国能源供应形势更为紧张；同时伴随着工业对化石燃料的消耗所产生的大气污染和温室效应已经严重影响和制约了人们的生产和生活方式，这已经引起了全世界各个国家的关注和担忧，因此寻找一种新型可再生清洁能源来替代传统所依靠的化石能源显得十分必要。 目前全世界范围内对新能源开发利用比较成熟并进行商业化运营的是太阳能、风能、潮汐能和地热能等。然而海洋能也是一种新型可再生能源，是蕴藏在海洋中的清洁自然能源，其中应用比较广泛的是海洋波浪能和潮流能等。而这些自然能源则是以巨大的动能、势能等能量形势蕴藏在广阔的海洋中，因此如果有一种形式可以将这些巨大的能量收集起来并加以利用，这必将会有广阔的发展前景。 本课题基于目前严峻的能源形势以及对海洋可再生能源开发利用研究的基础，自行研发设计了一种以水轮机作为浪流能捕获装置的小型、模块化海洋能发电装置。通过前期方案的建立、建模仿真、样机生产加工、装置发电性能的测试以及发电装置实验室水槽试验和海上现场试验研究，课题已收获有益成效。该装置通过阵列环布叶片的水轮机，有效捕获并转化海洋波浪与潮流能，水轮机主轴直接与发电机相连，实现单级传动，克服传统发电装置多级转换效率低下等问题。整个装置利用浮筒漂浮海面，锚链系泊，数据远程控制，离岸运行。该课题延伸可与海上风能、太阳能等组成多能互补的供电系统，实现岛礁低成本供电、海水淡化和生活污水处理等一体化系统，具有良好的应用前景。 论文首先对我国目前严峻的能源供应形势以及对海洋可再生能源开发利用的必要性进行了综述，详细介绍了目前国内外对海洋波浪能与潮流能的开发利用技术的现状和进展，并提出了本文所研究的轮机式浪流发电装置的设计与数值模拟研究课题，，并就课题所设计的方案的可行性进行了理论论证工作。 其次详细阐述了轮机式浪流发电装置的方案设计过程。包括发电装置方案的选择以及对装置的一些关键零部件选择，并对装置的水动力学特性进行了理论分析研究。建立发电系统的二、三维数学模型，并对后期发电装置的数值模拟分析以及试验研究提供了基础。 关于发电装置关键零部件有限元分析数值模拟研究，系统的介绍了有限元方法在工程结构受力分析过程中的应用，以及大型通用有限元分析软件ANSYS的求解分析模块，针对课题中浪流轮机的关键部件主轴进行了有限元数值模拟分析，并就发电装置的浮筒结构进行了理论设计与数值模拟研究。 论文重点介绍了轮机式浪流发电装置的水动力学数值模拟仿真计算，建立了流体力学控制方程组，选择离散化的数值模拟方法对发电装置的轮机叶片做了基于Fluent软件的流体动力学仿真计算研究。详细介绍了轮机叶片的建模与离散化的二维网格划分方法，并通过对轮机施加初始和边界条件限制，选择适合轮机仿真计算的湍流模型并进行求解计算。借助于Fluent软件求解计算模拟方法，对轮机叶片的叶片数、轮机安装倾角、轮机叶片所受流场中流体力的扭矩与受力作用等进行了水动力学分析，这为课题后期对轮机式浪流发电装置的优化设计提供了技术支撑与设计依据。 轮机式浪流发电装置试验研究与结果分析部分通过对发电装置的模型进行一系列的实验室水槽试验，分析发电装置的发电性能，并进行二次优化设计，达到较为理性的试验状态后对装置进行了海上现场试验，研究现场试验的试验结果，并比对前期的数值模拟仿真与实验室水槽试验，分析和验证课题方案的合理性。课题无论是在初期实验方案的确立还是后期的实验装置模型数值模拟仿真以及最后的实验室水槽试验和海上现场试验，整个课题过程积累了大量的研究方法理论和基础，为今后海洋能发电领域奠定了良好的项目基础。
[Abstract]:With the rapid development of global economy, the traditional non renewable fossil fuels also accompanied by industrial development and gradually depleted, energy crisis intensified, and the situation of energy supply in China is more intense; accompanied by the consumption of industrial air pollution on fossil fuels and the resulting pollution and the greenhouse effect has seriously affected and restricted the people the way of life and production, which has caused various countries around the world attention and concern, so looking for a new renewable clean energy to replace the traditional rely on fossil energy is very necessary.
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本文编号：1585341