振荡水翼捕获潮流能系统的水动力和能量捕获性能研究

发布时间：2020-06-12 06:37

【摘要】：为了减少化石燃料的消耗,降低环境污染,各国政府越来越重视清洁可再生能源的开发利用。振荡水翼捕获潮流能发电技术浅海优势明显,特别适合安装在河床、沿海岸等浅水海域。深入的研究振荡水翼捕获潮流能发电技术的水动力和能量捕获性能是开发综合性能优良的振荡水翼捕获潮流能发电装置的基础,为开发能量捕获效率高、工作可靠的潮流能捕获装置提供科学的理论指导。来流作用下水翼的运动可以认为是俯仰运动与升沉运动的耦合,运动过程不断将来流动能转化为振荡水翼的机械能,从而实现捕获来流动能的目的。为了探索振荡水翼运动过程中水翼的几何参数、运动参数以及来流的粘性参数对振荡水翼的水动力和能量捕获性能的影响及其影响机理,本文进行了如下研究工作：介绍了振荡水翼捕获潮流能系统的基本原理,建立了基于液压换能系统的振荡水翼捕获潮流能发电系统的物理模型,给出了振荡水翼做简谐规律的俯仰—升沉耦合运动时的运动模型,并给出了衡量振荡水翼捕获潮流能系统捕获能量性能的主要参数。研究了求解来流绕振荡水翼的湍流流动时的非定常、不可压缩Navier-Stokes方程的理论和方法,采用商用CFD软件Fluent建立了绕振荡水翼非定常流动的数值计算模型。建立了基于动网格技术和滑移网格技术的振荡水翼网格模型,给出了求解振荡水翼周围二维湍流流场的非定常、不可压缩Navier-Stokes方程需要设定的主要参数及其使用的算法,给出了基于UDF二次开发功能实现水翼边界运动和水动力提取的算法,并完成了来流绕振荡水翼非定常流动的数值计算模型的程序验证。结果表明,本文模型能够准确的计算振荡水翼的漩涡结构特性、水动力和能量捕获性能,计算区域边界尺寸、计算周期、湍流模型、网格密度和时间步长选择合适,可保证数值计算高效准确。定量的分析了振荡水翼捕获潮流能的机理,系统的分析了运动参数、几何参数以及粘性参数对振荡水翼水动力和能量捕获性能的影响,并从漩涡结构特性角度分析了相关参数对瞬态水动力和能量捕获性能的影响。结果表明,运动参数、粘性参数、几何参数都会影响水翼壁面边界层漩涡结构特性,改变其中任意参数都有可能引起水翼壁面边界层分离和旋涡脱落现象,而旋涡脱落又会引起动态失速及瞬态水动力性能的突变。振荡水翼系统的能量捕获效率大于30%、效率时均阻力系数比ψ大于0.2、无瞬态水动力性能突变时,振荡水翼捕获潮流能系统的综合性能较好；水翼翼型为NACA0018、俯仰—升沉相位差为90°、俯仰轴位置到水翼前缘的距离为c/3、升沉振幅为c、俯仰振幅为70～80°时、折算振荡频率为0.14时,、振荡水翼满足综合性能高的条件；此时,当雷诺数大于等于500000、俯仰振幅为75°时,振荡水翼的能量捕获效率可达40%。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：P743;TM612

【参考文献】