復雜環(huán)境下水平軸潮流能葉輪水動力特性研究.pdf

1、隨著傳統(tǒng)化石能源日益枯竭及其帶來的環(huán)境問題日益突出，潮流能作為一種清潔無污染的可再生能源，已成為國內(nèi)外研究的熱點。漂浮式潮流能發(fā)電裝置由于具有載體結構形式簡單，適用水深范圍廣，易于維護、移動和回收等優(yōu)點，越來越受各國專家學者的關注。但是，潮流能葉輪工作的實際海洋環(huán)境異常復雜，如自由液面、潮流速度梯度和波浪等環(huán)境因素，對葉輪及其載體的水動力特性產(chǎn)生不同程度的影響。特別是波浪的存在，導致漂浮式載體隨波浪產(chǎn)生運動響應，而葉輪與載體固定連接，從

2、而引起水輪機葉輪相對來流速度及其水動力特性的變化。目前，關于水平軸潮流能葉輪的水動力研究仍注重于均勻流環(huán)境條件下的水動力性能與載荷分析，而對葉輪在上述復雜環(huán)境下的水動力問題研究很少。因此，本文針對水平軸葉輪在自由液面及波浪復雜環(huán)境下運行時的水動力問題及其計算方法開展理論和試驗研究，這不僅為葉輪的水動力性能與載荷預報提供設計理論支持和相關數(shù)據(jù)，而且對潮流能水輪機結構強度的校核、運行控制策略的設計及載體運動響應的研究，都具有重要的學術意義和

3、應用價值。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在模型試驗方面，針對水平軸葉輪，在船模拖曳水池開展了系列模型試驗，給出了潮流能水平軸葉輪模型效率與軸向載荷的測試方法，測量了葉輪在不同葉尖浸沒水深及不同波浪參數(shù)下的效率及軸向載荷。根據(jù)試驗結果，分析了葉輪的功率特性及載荷特性，得到了葉尖浸沒水深及波浪參數(shù)對葉輪水動力性能的影響規(guī)律，對水平軸葉輪有了更為全面的認知。試驗研究為水平軸葉輪水動力學設計提供了大量有價值的信息，同時試驗結果也為數(shù)值模擬方

4、法的有效性驗證提供了可靠的數(shù)據(jù)。⑵在數(shù)值模擬方面，首先通過與試驗結果的對比，驗證了水平軸葉輪 CFD數(shù)值方法的有效性。在此基礎上，通過CFX軟件的二次開發(fā)，形成了一種主軸發(fā)生搖蕩運動時水輪機葉輪運行的CFD數(shù)值模擬方法。該方法的特點是采用滑移網(wǎng)格和動網(wǎng)格相結合的網(wǎng)格運動方式，保持了計算過程中的網(wǎng)格質(zhì)量，有利于提高計算速度及精度。⑶針對自由液面效應的問題，采用 CFD數(shù)值方法，對水平軸葉輪在有自由液面條件下的水動力特性進行了模擬，得到了葉

5、輪能量利用率及軸向載荷系數(shù)的變化規(guī)律。通過改變不同葉尖浸沒水深，得到了葉尖浸沒水深對葉輪能量利用率及軸向載荷系數(shù)的影響規(guī)律。⑷針對單自由度運動時水平軸葉輪運行的水動力問題，基于 CFD方法，對單自由度搖蕩（縱蕩、縱搖、橫蕩、橫搖、艏搖）運動時水平軸葉輪運行的水動力性能進行了數(shù)值模擬，得到了水平軸葉輪在主軸發(fā)生單自由度運動時能量利用率及載荷系數(shù)的變化規(guī)律。通過比較不同搖蕩頻率、搖蕩幅值、轉速下的能量利用率及載荷系數(shù)，得到搖蕩頻率、搖蕩幅值

6、及速比對能量利用率及載荷系數(shù)的影響規(guī)律。通過分析葉輪在主軸單自由度搖蕩運動時的流場特性，給出搖蕩頻率、搖蕩幅值及轉速對葉輪流場特性的影響規(guī)律。⑸在水平軸葉輪水動力系數(shù)計算方面，提出了一種基于CFD方法和最小二乘法原理的計算方法。將水平軸葉輪主軸單自由度搖蕩運動時水動力載荷的CFD計算結果，分解成均勻流水動力、與搖蕩速度相關的阻尼力及與搖蕩加速度相關的附加質(zhì)量力，從而得到水平軸葉輪的水動力系數(shù)。通過比較不同搖蕩頻率、搖蕩幅值及轉速下的水動