豎軸葉輪的流體動(dòng)力分析與性能優(yōu)化方法的改進(jìn)與應(yīng)用.pdf

1、風(fēng)能與潮流能開發(fā)利用一直是新能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),我國(guó)風(fēng)能與潮流能儲(chǔ)量豐富,開發(fā)利用價(jià)值巨大。豎軸葉輪以其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單、葉片制造與整機(jī)維護(hù)方便的特點(diǎn)成為特別適合海島經(jīng)濟(jì)體的主要能源補(bǔ)給。
　　由于豎軸輪機(jī)葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的流場(chǎng)十分復(fù)雜,它的流體動(dòng)力特性直接決定了輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率與葉片載荷,因此發(fā)展行之有效的豎軸輪機(jī)的流體性能預(yù)報(bào)、載荷分析及工程設(shè)計(jì)優(yōu)化方法,用于研究該類輪機(jī)的性能與流場(chǎng)形成機(jī)理,提高輪機(jī)的能量利用率,指導(dǎo)工程實(shí)

2、踐有重要意義。
　　本文以國(guó)家科技支撐計(jì)劃“150KW潮流能電站關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目為背景,以風(fēng)能與潮流能開發(fā)利用中的豎軸輪機(jī)為研究對(duì)象,旨在研究該類輪機(jī)的流體性能預(yù)報(bào)、載荷分析與性能優(yōu)化方法。
　　論文第一章介紹了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流豎軸發(fā)電裝置的基本原理與結(jié)構(gòu)形式、豎軸葉輪的流體動(dòng)力分析與優(yōu)化方法的研究進(jìn)展;第二章建立了豎軸輪機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué),闡述了輪機(jī)的工作原理,統(tǒng)一定義了輪機(jī)幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)參數(shù),簡(jiǎn)要分析了

3、速比與葉片偏角對(duì)輪機(jī)能量利用律的影響;第三章首先建立了基于動(dòng)量定理的流管模型,并將計(jì)算結(jié)果與公開發(fā)表的豎軸風(fēng)機(jī)和課題組研制并測(cè)試的潮流能水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,指出了流管模型的適用范圍與缺陷,接著對(duì)輪機(jī)能量利用率曲線在動(dòng)態(tài)失速區(qū)和第二效應(yīng)區(qū)做了相應(yīng)的修正,最后建立了湍流風(fēng)下的流管模型,對(duì)葉片載荷的時(shí)間歷程進(jìn)行了模擬;第四章以機(jī)翼尾緣上下表面存在壓力差的Kutta條件結(jié)合漩渦理論在前人工作基礎(chǔ)上發(fā)展了有限渦模型,用于計(jì)算多葉片非定常運(yùn)動(dòng)

4、的機(jī)翼受力,分析了渦與葉片干擾的機(jī)理,通過(guò)機(jī)翼做突然啟動(dòng)、升沉俯仰等典型運(yùn)動(dòng)的算例,分析了新生渦參數(shù)、渦核半徑、尾渦合并的方式、渦與葉片碰撞等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響,捕捉了葉片做中高頻率升沉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生Knoller-Betz效應(yīng)時(shí)的非線性尾渦結(jié)構(gòu);第五章使用有限渦方法對(duì)固定偏角型輪機(jī)和變偏角型輪機(jī)進(jìn)行了載荷預(yù)報(bào),通過(guò)計(jì)算結(jié)果和模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,證明了該方法具有較好的精度,然后以課題組模型試驗(yàn)的輪機(jī)為原型,詳細(xì)分析了速比、葉片安裝角、密