柔性葉片潮流能水輪機(jī)水動力學(xué)性能研究.pdf

1、海洋潮流能作為一種可再生能源成為國內(nèi)外研究的熱點，我國海洋潮流能儲量豐富，其開發(fā)利用潛力巨大。潮流水輪機(jī)作為獲取海洋潮流能的能量轉(zhuǎn)換裝置，是潮流能開發(fā)利用的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)原理、動力機(jī)制以及性能優(yōu)化是研究的重點和難點。 本文作者借鑒帆船推進(jìn)機(jī)理、柔性風(fēng)帆耦合作用以及帆翼的氣動力特性，創(chuàng)新性地研制了一種新型潮流能能量轉(zhuǎn)換裝置--柔性葉片水輪機(jī)。采用能充分利用流體運(yùn)動作用力的柔性材料制作水輪機(jī)葉片，能很好地適應(yīng)水流作用發(fā)生形變，自動調(diào)節(jié)

2、攻角，并能充分利用與水流間相互耦合作用產(chǎn)生的升力效應(yīng)和阻力效應(yīng)做功，獲能效率較高，具有許多剛性葉片所不具備的優(yōu)點和良好的水動力學(xué)性能。 提出了柔性葉片的幾何形態(tài)以及柔性葉片水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式；分析了柔性葉片在水輪機(jī)運(yùn)動過程中的形變規(guī)律及受力特性，初步探討了柔性葉片水輪機(jī)的工作原理和性能特點，建立了柔性葉片水輪機(jī)主要水動力性能參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并通過量綱分析確定了影響柔性葉片水輪機(jī)性能的主要因素。 鑒于柔性葉片水輪機(jī)因涉及

3、柔性葉片與水流間相互耦合作用和動力機(jī)制的復(fù)雜性，提出了運(yùn)用風(fēng)浪流水槽模型實驗與計算流體力學(xué)數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究其動力學(xué)性能的思路和方法。 建立了柔性葉片水輪機(jī)風(fēng)浪流水槽模型實驗系統(tǒng)和水動力學(xué)性能測試平臺，確定了柔性葉片水輪機(jī)實驗?zāi)Ｐ退畡恿W(xué)性能的測試方法，設(shè)計了十幾種不同葉片形狀、布置方式、結(jié)構(gòu)形式和安裝方式的柔性葉片水輪機(jī)實驗?zāi)Ｐ?，并利用風(fēng)浪流水槽進(jìn)行了大量實驗，對柔性葉片水輪機(jī)的水動力學(xué)性能及其影響因素有了較全面的認(rèn)知

4、，對柔性葉片及水輪機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了初步篩選和優(yōu)化。 計算流體力學(xué)的快速發(fā)展為解決柔性葉片與水流間的耦合作用和水輪機(jī)的動力學(xué)性能預(yù)測以及數(shù)值模擬提供了可能。本文在借鑒有關(guān)柔性翼、降落傘充氣過程和心臟瓣膜流固耦合等研究方法的基礎(chǔ)上，提出了柔性葉片流固耦合的求解思路和運(yùn)用計算流體力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行柔性葉片水輪機(jī)水動力性能數(shù)值模擬的方案，即首先建立了柔性葉片在流體中的流固耦合控制方程，通過雙向流固耦合求解柔性葉片的變形；其次利

5、用求解的各柔性葉片形狀，建立柔性葉片不同轉(zhuǎn)角位置的瞬時物理模型；然后采用動網(wǎng)格技術(shù)，編譯用戶自定義函數(shù)，實現(xiàn)了柔性葉片水輪機(jī)的數(shù)值模擬和水動力學(xué)性能的預(yù)測。 本文綜合運(yùn)用風(fēng)浪流水槽模型實驗和計算流體力學(xué)數(shù)值模擬的方法，研究和驗證了柔性葉片水輪機(jī)的水動力學(xué)性能，分析了影響柔性葉片水輪機(jī)水動力學(xué)性能的主要因素，對其結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能進(jìn)行了優(yōu)化配置，并在此基礎(chǔ)上，對潮流能發(fā)電海試水輪機(jī)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化，研制了5kW潮流能發(fā)電海試樣機(jī)，通過