混合式垂直轴潮流能水轮机水动力性能研究

发布时间：2020-07-29 13:31

【摘要】：海洋能作为可再生能源重要部分,具有储量大、对环境影响小等优点。潮流能作为海洋能一种,能量密度高,应用前景广阔。与水平轴潮流能水轮机比较,垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、易于制造、不受潮流流向影响等优点。但垂直轴水轮机也存在一些问题,主要有自启动差、低转速时工作效率低、工作时流场周期性非稳态变化等缺点,影响其规模化与商业化发展。因此,本文在H型水轮机的内部增加一层S式水轮机,形成升力—阻力型混合式垂直轴水轮机,应用CFD数值模拟方法,研究这种新型混合式垂直轴水轮机的性能。本文首先对S式水轮机与H型水轮机进行建立运动方程与受力分析,进行二维数值模拟,并对数值模拟的正确性进行验证。研究S式水轮机的重叠比与叶尖速比对S式水轮机的水动力性能影响。研究结果表明S式水轮机适合在低叶尖速比情况下工作,并且力矩系数与叶尖速比近似成线性关系,存在一个最优叶尖速比使S式水轮机的功率系数达到最大。带有重叠比的S式水轮机能够有效的减少甚至完全消除水轮机在运动过程中的负力矩的情况,从而改善S式水轮机水动力性能。此外,研究叶尖速比对H型水轮机的水动力性能影响。研究结果表明H型水轮机功率系数与叶尖速比近似关系成抛物线,存在一个最佳叶尖速比使水轮机的功率系数达到最大;与S式水轮机相比,H型水轮机适合于在较高叶尖速比的工况下工作,最佳功率系数更优。最后,本文对混合式垂直轴水轮机进行水动力学分析与自启性分析,主要研究混合式垂直轴水轮机几何参数(内外径比、半径比)对水动力性能与自启性影响,并与H型水轮机进行分析比较。研究结果表明,混合式水轮机提高了启动力矩,有效地解决了 H型水轮机自启性较差的问题。内层S式水轮机与外层H型水轮机的相互干扰作用,从而一定程度降低混合式水轮机的功率系数。从而,为混合式垂直轴水轮机的设计与优化提供参考。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK730.1
【图文】：

水轮机结构,水轮机

力矩的作用，由于Ｓ式水轮机两侧叶片的受力大小不一使水轮机旋转，将流体的逡逑动能转化为水轮机的机械能，从而捕获潮流能。Ｓ式水轮机主要由２个半圆柱形逡逑叶片组成，其结构如图２－１所示（不考虑中心转轴等）。逡逑Ｄ逡逑ｄ逦＇逡逑ｓ逡逑＇Ｊ逡逑０）逡逑图２－１邋Ｓ式水轮机结构简图逡逑图２－１中Ｄ为水轮机直径，ｓ为叶片间隙，为叶片直径，重叠比ｅ定义为逡逑ｃ邋＝邋—逦（２－１）逡逑ｄ逡逑９逡逑

水轮机,网格模型,数值计算,滑移网格

行网格划分，并对水轮机壁面添加边界层。利用滑移网格能够有效的避免水轮机逡逑的转动对网格质量造成的影响。同时，对叶片及交界面附近的网格进行加密，如逡逑图２－３所示，图中网格模型约有２０３邋０００的网格单元。逡逑图中Ｓ式水轮机网格模型中，计算区域的边界条件有速度入口、压力出口、逡逑滑移交界面、壁面。其中入口边界采用速度入口，出口边界为压力出口，其压力值逡逑设为ＯＰａ，圆形为滑移交界面，内部流体区域采用滑移网格，叶片表面定义为壁逡逑面。逡逑１４逡逑

云图,水轮机,云图,压力

逦（ｅ）邋ｆ＝０．８Ｔ逡逑图２－４邋Ｓ式水轮机不同T刻压力云图逡逑图２－４为Ｓ式水轮机在一个周期内不同时刻水轮机压力云图。由图２－４可知，逡逑旋转过程中水轮机内部流场以及其周围区域非定常性，在不同时刻水轮机叶片周逡逑围的压力分布情况不同。在／＝０、０．４八０．６ｒ时刻左侧叶片的压力值高于右侧叶片逡逑１６逡逑

【参考文献】