橫軸水輪機(jī)及其導(dǎo)流罩流體動力性能數(shù)值模擬.pdf

1、隨著化石燃料利用所帶來的環(huán)境污染、氣候影響越來越明顯，加之化石燃料資源的日漸匱乏，開發(fā)清潔可再生的海洋能源成為了現(xiàn)今社會的當(dāng)務(wù)之急。其中，海洋能發(fā)電就是各個國家開發(fā)海洋能源戰(zhàn)略的重要舉措，橫軸水輪機(jī)是海洋能發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備，其可以吸收海洋洋流的波浪能和潮流能，海流垂直方向和水平方向的作用力作用在水輪機(jī)葉片上，由此推動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動，水輪機(jī)主軸與直驅(qū)式發(fā)電機(jī)相連，實現(xiàn)海洋能發(fā)電。但由于橫軸水輪機(jī)開發(fā)處于初級階段，因此存在著獲能效率低，實驗前

2、建立方程式求解橫軸水輪機(jī)發(fā)電特性較難等問題。
　　本文基于 CFD方法以及 Matlab/Simulink模擬仿真方法對橫軸水輪機(jī)發(fā)電進(jìn)行深入研究，提出優(yōu)化葉片翼型和采用加裝導(dǎo)流罩的方法來提高橫軸水輪機(jī)的獲能效率，并提出模擬仿真方法求解橫軸水輪機(jī)發(fā)電特性，以下為本文的主要研究內(nèi)容：
　　(1)論文對葉片翼型進(jìn)行了優(yōu)化，首先對基本翼型橫軸水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，然后參照風(fēng)力機(jī)葉片的優(yōu)化研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論提出優(yōu)化方法—切割翼型最

3、遠(yuǎn)端，得到翼型優(yōu)化算例。將不同優(yōu)化算例的翼型結(jié)合基本翼型參數(shù)在 Gambit軟件中進(jìn)行建模，設(shè)置邊界和計算域，生成網(wǎng)格后導(dǎo)入 Fluent軟件中，給定初始條件進(jìn)行仿真計算，通過比較各優(yōu)化算例翼型對水輪機(jī)功率的影響，得到最優(yōu)翼型；并比較最優(yōu)解翼型與基本翼型水輪機(jī)的水動力特性，得到基本翼型和最優(yōu)解翼型水輪機(jī)的升阻比及獲能效率情況。
　　(2)采用對橫軸水輪機(jī)加裝導(dǎo)流罩的方法，首先對導(dǎo)流罩以及水輪機(jī)加裝導(dǎo)流罩組成的系統(tǒng)建立網(wǎng)格模型，并在

4、 Fluent軟件中對導(dǎo)流罩的主要參數(shù)進(jìn)行模擬分析，得出主要參數(shù)結(jié)果，擴(kuò)口長度方面：導(dǎo)流罩隨著擴(kuò)口長度的增加，水動力性能變好，但根據(jù)整機(jī)協(xié)調(diào)，確定擴(kuò)口長度為1500mm；開口張角方面：分析了從10°～30°不同的開口張角，最后確定開口張角為26°時導(dǎo)流罩水動力性能較好。對比分析了有導(dǎo)流罩和無導(dǎo)流罩的情況下橫軸水輪機(jī)的獲能效率，研究得出導(dǎo)流罩可以有效提高其獲能效率；并對所設(shè)計導(dǎo)流罩進(jìn)行水槽實驗，實驗結(jié)果驗證了仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5、　　(3)通過 Matlab/Simulink仿真方法來對橫軸水輪機(jī)發(fā)電進(jìn)行研究，以便于求得水輪機(jī)發(fā)電特性。首先通過流體仿真分析得出某特定條件下海洋能作用在基本翼型水輪機(jī)主軸上的轉(zhuǎn)矩值。然后在 Matlab/Simulink里建立發(fā)電系統(tǒng)模型，調(diào)用仿真計算得到的轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)作為動力源驅(qū)動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流經(jīng)過整流濾波等元器件的處理，由輸出窗口顯示，由此獲得了水輪機(jī)的發(fā)電特性。仿真結(jié)果與已完成的水槽實驗結(jié)果吻合，故可以利用 Matl