悬臂式潮流能垂直轴水轮机叶片流固耦合研究
发布时间：2022-11-05 01:02
随着化石燃料的逐渐枯竭与环境的日益恶化,海洋可再生能源逐渐引起了世界各国的关注。潮流能作为海洋能中的一种,成为了海洋工程与能源领域中新的热点。水轮机是一种主要的潮流能转换装置,随着技术的发展以及效益的需求,水轮机逐步走向大型化,这就必然会带来结构变形及破坏等一系列研究问题。本文基于粘性流体力学理论及结构有限元理论,针对悬臂式潮流能垂直轴水轮机叶片,采用单、双向流-固耦合的方法,研究其水动力性能和结构性能;并基于复合材料力学相关理论,对叶片内部结构以及外部蒙皮进行了复合材料铺层方式进行了简单的优化设计。通过本文的研究,为悬臂式垂直轴叶轮各项性能的预测及叶片设计提供了一定的参考。本文主要开展了以下几方面的研究。基于CFD数值模拟方法,对悬臂式垂直轴水轮机叶轮进行了系统的水动力性能计算分析,得出了其水动力性能随速比的一系列变化规律。利用有限元理论对均质叶片进行了结构静强度、瞬态动力学、模态以及疲劳分析,得出了悬臂式叶片在空气中以及水中的一些结构强度数据。在CFD数值模拟的基础上,基于结构有限元理论,采用单、双向流-固耦合的方法,分析潮流能水轮机的水动力性能及结构性能和其耦合规律,通过对比分析...
【文章页数】：126 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 潮流能研究现状
1.2.1 潮流能国外研究现状
1.2.2 潮流能国内研究现状
1.3 水轮机流-固耦合研究现状
1.3.1 流-固耦合研究的意义
1.3.2 水轮机流固耦合国内外研究现状
1.4 本文的研究工作
第2章 垂直轴水轮机水动力性能研究
2.1 垂直轴水轮机概述
2.2 垂直轴水轮机工作原理
2.3 叶片运动及受力分析
2.3.1 运动分析
2.3.2 受力分析
2.3.3 无因次分析
2.4 水轮机水动力研究方法
2.4.1 流管法
2.4.2 涡方法
2.4.3 基于求解N-S方程的CFD方法
2.5 垂直轴叶轮水动力性能数值模拟研究
2.5.1 建模及网格划分
2.5.2 CFX设置及计算
2.5.3 计算结果分析
2.5.4 计算结果与试验对比
2.6 本章小结
第3章 垂直轴水轮机叶片结构力学性能研究
3.1 叶片静强度分析
3.2 叶片瞬态动力学分析
3.3 叶片模态分析
3.4 叶片疲劳分析
3.5 本章小结
第4章 悬臂式叶片流-固耦合研究
4.1 流-固耦合基本理论
4.1.1 流体控制方程
4.1.2 结构控制方程
4.1.3 流-固耦合方程
4.1.4 流-固耦合交界面数据的传递
4.1.5 求解方法
4.2 方法可行性分析
4.3 流-固耦合分析前处理
4.3.1 模型建立及网格划分
4.3.2 材料属性
4.3.3 边界条件及求解设置
4.3.4 变形和应力准则
4.4 均质叶片流-固耦合分析
4.4.1 单向流-固耦合分析
4.4.2 双向流-固耦合分析
4.4.3 单、双向流-固耦合结果对比
4.5 本章小结
第5章 叶片结构优化设计
5.1 内部结构设计
5.1.1 设计方案一
5.1.2 设计方案二
5.1.3 设计方案三
5.2 全金属材质叶片
5.2.1 叶片双向耦合结构响应
5.2.2 叶片双向耦合水动力性能响应
5.3 复合材料铺层叶片
5.3.1 叶片铺层设计流程
5.3.2 复合材料铺层一般原则
5.3.3 铺层材料选择
5.3.4 铺层方式
5.3.5 模态分析
5.3.6 流-固耦合分析
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
附录 A
附录 B
附录 C
【参考文献】：
期刊论文
[1]长江水污染的现状及防治的法律对策[J]. 印卫东. 水利发展研究. 2003(03)
[2]诠释潮汐现象[J]. 应发宝,曹玉红,郑水珍. 现代物理知识. 2006(04)
[3]主梁疲劳破坏原因分析[J]. 王荣纲. 重工与起重技术. 2006(03)
[4]ANSYS在模态分析中的应用[J]. 袁安富,陈俊. 制造技术与机床. 2007(08)
[5]轴流式水轮机转轮流固耦合计算[J]. 张宇宁,刘树红,吴墒锋,吴玉林. 工程热物理学报. 2008(10)
[6]基于CFD方法的螺旋桨水动力性能预报[J]. 王超,黄胜,解学参. 海军工程大学学报. 2008(04)
[7]垂直轴水轮机耦合数值模拟研究[J]. 张亮,李志川,刘健,孙科. 哈尔滨工业大学学报. 2011(S1)
[8]基于ANSYS/CFX耦合的机翼颤振分析[J]. 卢学成,叶正寅,张陈安. 计算机仿真. 2010(09)
[9]基于Workbench的斜齿轮固有特性分析[J]. 吴文光,朱如鹏. 机械传动. 2010(04)
[10]流体机械非定常流动的涡方法数值模拟[J]. 祝宝山,王旭鹤,龟本乔司,曹树良. 水力发电学报. 2011(05)
博士论文
[1]极限载荷条件下的风力机叶片铺层优化设计研究[D]. 廖猜猜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[2]水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究[D]. 黄剑峰.昆明理工大学 2013
[3]基于Savonius结构的叶片可展式垂直轴风力机性能研究[D]. 汤志鹏.哈尔滨工业大学 2015
[4]柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究[D]. 王树杰.中国海洋大学 2009
[5]纤维增强复合材料寿命预测与疲劳性能衰减研究[D]. 吴富强.南京航空航天大学 2008
硕士论文
[1]潮流水平轴叶轮流固耦合性能分析[D]. 房良.哈尔滨工程大学 2015
[2]潮流水轮机发电效率及潮流能资源估算研究[D]. 王玉萌.山东大学 2014
[3]海上风能与波浪能综合研究利用[D]. 裴丽.天津大学 2012
[4]垂直轴潮流能水轮机流固耦合研究[D]. 刘文东.哈尔滨工程大学 2012
[5]竖轴潮流水轮机空化对捕获功率的影响研究[D]. 崔振磊.大连理工大学 2011
[6]风力机叶片设计与流场仿真[D]. 刘克刚.武汉理工大学 2011
[7]挠性立管涡激振动的离散涡方法研究[D]. 董婧.大连理工大学 2010
[8]基于风洞试验的垂直轴风机性能研究[D]. 张瑞嘉.华南理工大学 2010
[9]水轮机叶片头部背面初生空化CFD分析[D]. 张勇.哈尔滨工业大学 2009
[10]FRP风力机叶片设计与有限元分析[D]. 曾琴琴.武汉理工大学 2008
本文编号：3701630
【文章页数】：126 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 研究背景
1.2 潮流能研究现状
1.2.1 潮流能国外研究现状
1.2.2 潮流能国内研究现状
1.3 水轮机流-固耦合研究现状
1.3.1 流-固耦合研究的意义
1.3.2 水轮机流固耦合国内外研究现状
1.4 本文的研究工作
第2章 垂直轴水轮机水动力性能研究
2.1 垂直轴水轮机概述
2.2 垂直轴水轮机工作原理
2.3 叶片运动及受力分析
2.3.1 运动分析
2.3.2 受力分析
2.3.3 无因次分析
2.4 水轮机水动力研究方法
2.4.1 流管法
2.4.2 涡方法
2.4.3 基于求解N-S方程的CFD方法
2.5 垂直轴叶轮水动力性能数值模拟研究
2.5.1 建模及网格划分
2.5.2 CFX设置及计算
2.5.3 计算结果分析
2.5.4 计算结果与试验对比
2.6 本章小结
第3章 垂直轴水轮机叶片结构力学性能研究
3.1 叶片静强度分析
3.2 叶片瞬态动力学分析
3.3 叶片模态分析
3.4 叶片疲劳分析
3.5 本章小结
第4章 悬臂式叶片流-固耦合研究
4.1 流-固耦合基本理论
4.1.1 流体控制方程
4.1.2 结构控制方程
4.1.3 流-固耦合方程
4.1.4 流-固耦合交界面数据的传递
4.1.5 求解方法
4.2 方法可行性分析
4.3 流-固耦合分析前处理
4.3.1 模型建立及网格划分
4.3.2 材料属性
4.3.3 边界条件及求解设置
4.3.4 变形和应力准则
4.4 均质叶片流-固耦合分析
4.4.1 单向流-固耦合分析
4.4.2 双向流-固耦合分析
4.4.3 单、双向流-固耦合结果对比
4.5 本章小结
第5章 叶片结构优化设计
5.1 内部结构设计
5.1.1 设计方案一
5.1.2 设计方案二
5.1.3 设计方案三
5.2 全金属材质叶片
5.2.1 叶片双向耦合结构响应
5.2.2 叶片双向耦合水动力性能响应
5.3 复合材料铺层叶片
5.3.1 叶片铺层设计流程
5.3.2 复合材料铺层一般原则
5.3.3 铺层材料选择
5.3.4 铺层方式
5.3.5 模态分析
5.3.6 流-固耦合分析
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
致谢
附录 A
附录 B
附录 C
【参考文献】：
期刊论文
[1]长江水污染的现状及防治的法律对策[J]. 印卫东. 水利发展研究. 2003(03)
[2]诠释潮汐现象[J]. 应发宝,曹玉红,郑水珍. 现代物理知识. 2006(04)
[3]主梁疲劳破坏原因分析[J]. 王荣纲. 重工与起重技术. 2006(03)
[4]ANSYS在模态分析中的应用[J]. 袁安富,陈俊. 制造技术与机床. 2007(08)
[5]轴流式水轮机转轮流固耦合计算[J]. 张宇宁,刘树红,吴墒锋,吴玉林. 工程热物理学报. 2008(10)
[6]基于CFD方法的螺旋桨水动力性能预报[J]. 王超,黄胜,解学参. 海军工程大学学报. 2008(04)
[7]垂直轴水轮机耦合数值模拟研究[J]. 张亮,李志川,刘健,孙科. 哈尔滨工业大学学报. 2011(S1)
[8]基于ANSYS/CFX耦合的机翼颤振分析[J]. 卢学成,叶正寅,张陈安. 计算机仿真. 2010(09)
[9]基于Workbench的斜齿轮固有特性分析[J]. 吴文光,朱如鹏. 机械传动. 2010(04)
[10]流体机械非定常流动的涡方法数值模拟[J]. 祝宝山,王旭鹤,龟本乔司,曹树良. 水力发电学报. 2011(05)
博士论文
[1]极限载荷条件下的风力机叶片铺层优化设计研究[D]. 廖猜猜.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2012
[2]水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究[D]. 黄剑峰.昆明理工大学 2013
[3]基于Savonius结构的叶片可展式垂直轴风力机性能研究[D]. 汤志鹏.哈尔滨工业大学 2015
[4]柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究[D]. 王树杰.中国海洋大学 2009
[5]纤维增强复合材料寿命预测与疲劳性能衰减研究[D]. 吴富强.南京航空航天大学 2008
硕士论文
[1]潮流水平轴叶轮流固耦合性能分析[D]. 房良.哈尔滨工程大学 2015
[2]潮流水轮机发电效率及潮流能资源估算研究[D]. 王玉萌.山东大学 2014
[3]海上风能与波浪能综合研究利用[D]. 裴丽.天津大学 2012
[4]垂直轴潮流能水轮机流固耦合研究[D]. 刘文东.哈尔滨工程大学 2012
[5]竖轴潮流水轮机空化对捕获功率的影响研究[D]. 崔振磊.大连理工大学 2011
[6]风力机叶片设计与流场仿真[D]. 刘克刚.武汉理工大学 2011
[7]挠性立管涡激振动的离散涡方法研究[D]. 董婧.大连理工大学 2010
[8]基于风洞试验的垂直轴风机性能研究[D]. 张瑞嘉.华南理工大学 2010
[9]水轮机叶片头部背面初生空化CFD分析[D]. 张勇.哈尔滨工业大学 2009
[10]FRP风力机叶片设计与有限元分析[D]. 曾琴琴.武汉理工大学 2008
本文编号：3701630
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