擺式河流動(dòng)能發(fā)電裝置原理設(shè)計(jì)與水動(dòng)力性能研究.pdf

1、河流能作為一種清潔的可再生能源，它具有分布廣泛、儲(chǔ)量豐富、可預(yù)測(cè)和無污染等諸多優(yōu)點(diǎn)。河流能利用的傳統(tǒng)方式是建設(shè)水力發(fā)電樞紐，即利用地勢(shì)落差攔河筑壩，將河水高位勢(shì)能轉(zhuǎn)換為高速水流沖擊水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。然而，在地勢(shì)平緩的廣大平原或河道寬闊而不易筑壩的地帶，直接利用河流動(dòng)能發(fā)電成為一種替代方式。河流動(dòng)能發(fā)電裝置的核心裝備是零水頭或極低水頭水力發(fā)電機(jī)組，已成為近些年來研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。現(xiàn)有的水流能量轉(zhuǎn)換裝置主要有轉(zhuǎn)輪式和振蕩（擺動(dòng)）式兩類，關(guān)于轉(zhuǎn)

2、輪式水輪機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)及其水動(dòng)力性能研究已經(jīng)開展了大量的工作，取得了豐富成果。但是，應(yīng)用于水深較淺、流速較低的河道時(shí)，轉(zhuǎn)輪式水輪機(jī)存在結(jié)構(gòu)上難以實(shí)現(xiàn)單機(jī)大型化的困難，而適應(yīng)單向河流特性且結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單的擺式裝置可拓展優(yōu)勢(shì)明顯。擺式能量轉(zhuǎn)換裝置基于水流與機(jī)翼相互作用的升力或渦激振蕩原理而搖擺獲能或推進(jìn)。對(duì)于河流發(fā)電，擺式能量轉(zhuǎn)換裝置的能量特性、設(shè)計(jì)參數(shù)規(guī)律等水動(dòng)力學(xué)問題的認(rèn)識(shí)以及研究還很不充分，需要在能量轉(zhuǎn)換機(jī)理、裝置構(gòu)型設(shè)計(jì)及其水動(dòng)力性能與

3、載荷等方面開展系統(tǒng)深入的研究。本文以河流動(dòng)能轉(zhuǎn)化和裝置水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)問題為背景，探索研究一種適合于河流動(dòng)能轉(zhuǎn)換的新型擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置，采用理論分析、數(shù)值模擬和原型機(jī)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從概念論述、樣機(jī)設(shè)計(jì)、水動(dòng)力特性與載荷等方面開展研究，為實(shí)際應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)方法，具有重要的意義。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴介紹河流動(dòng)能的特點(diǎn)、資源分布，分別從裝置開發(fā)、關(guān)鍵技術(shù)、理論和試驗(yàn)研究等方面回顧和歸納轉(zhuǎn)輪式和擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置的研

4、究進(jìn)展與現(xiàn)狀，在此基礎(chǔ)上提出主要研究方向、關(guān)鍵問題和解決途徑。針對(duì)河流動(dòng)能轉(zhuǎn)換和發(fā)電裝置原理樣機(jī)設(shè)計(jì)，從河道水深較淺及河水單向流動(dòng)的特點(diǎn)出發(fā)，提出一種新型河流動(dòng)能發(fā)電裝置----擺式河流動(dòng)能發(fā)電裝置。通過對(duì)發(fā)電系統(tǒng)原理性樣機(jī)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究，給出該新型裝置的總體方案和系統(tǒng)布局。該裝置以對(duì)稱翼型直葉片作為水流獲能部件，將一組或多組豎直葉片安裝在橫跨河道的直線滑道上，直線滑道兩端分別固定在河道兩岸基座上；在河水的作用下獲能葉片組（擺體）沿滑道

5、作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將水流動(dòng)能轉(zhuǎn)換為擺體直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，再驅(qū)動(dòng)直線（或旋轉(zhuǎn)）發(fā)電機(jī)發(fā)電。該裝置的主要特點(diǎn)是：能夠基于河道的寬度實(shí)施橫跨河道的整機(jī)單元設(shè)計(jì)，盡可能實(shí)現(xiàn)單機(jī)組容量最大化；裝置的結(jié)構(gòu)簡單、布置緊湊，發(fā)電系統(tǒng)以及機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)安裝在水面以上，降低水下密封難度；并且易于實(shí)現(xiàn)河流動(dòng)能發(fā)電和橋梁建設(shè)一體化設(shè)計(jì)，提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。
　?、漆槍?duì)該裝置河流動(dòng)能轉(zhuǎn)換的水動(dòng)力數(shù)值模擬方法，基于粘性CFD理論和軟件，建立適合于擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置

6、的水動(dòng)力數(shù)值模擬方法。探討了定常、非定常流場(chǎng)的邊界設(shè)置、網(wǎng)格劃分、流域分塊技術(shù)和湍流模型等因素對(duì)數(shù)值結(jié)果的影響。通過CFD數(shù)值模擬，研究水流作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中獲能裝置的流場(chǎng)和水動(dòng)力，給出對(duì)稱翼型直葉片擺體能量轉(zhuǎn)換的功率特性、水動(dòng)力載荷特性，揭示能量轉(zhuǎn)換和水動(dòng)力隨著葉片的翼型、葉片的橫向和縱向布置間距、葉片的數(shù)量和密實(shí)度、葉片安裝角和運(yùn)動(dòng)速比等參數(shù)變化的規(guī)律和典型特征，為擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置的水動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)設(shè)計(jì)和葉片布局設(shè)計(jì)及其選型提

7、供了理論依據(jù)。針對(duì)擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置葉片往復(fù)擺動(dòng)換向的工作特點(diǎn)，基于上述粘性CFD數(shù)值方法，詳細(xì)研究擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置葉片在水流作用下被動(dòng)換向過程中的流場(chǎng)特性和換向作用力，分析擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置兩端設(shè)置不同形狀換向體（正弦型、矩形）及其空間布局（上游、中游、下游）對(duì)葉片的瞬時(shí)流場(chǎng)干擾和換向作用效果，提出可供選擇的換向體的形狀、布局方案和葉片擺軸的位置。
　　⑶針對(duì)擺式河流能量轉(zhuǎn)換裝置的原理性實(shí)驗(yàn)研究和 CFD模擬方法驗(yàn)證，設(shè)

8、計(jì)研制擺式河流動(dòng)能發(fā)電裝置原型機(jī)及其水動(dòng)力特性測(cè)試系統(tǒng)，確定原型機(jī)性能以及載荷的測(cè)試方法。根據(jù)不同設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行工況開展發(fā)電系統(tǒng)的性能試驗(yàn)研究和流動(dòng)現(xiàn)象觀察，以NACA0018葉片為擺體，進(jìn)行原型機(jī)的定常運(yùn)動(dòng)和換向試驗(yàn)、小角度情況下改變?nèi)~片偏角的固定負(fù)載試驗(yàn)、大角度情況下改變?nèi)~片偏角的固定負(fù)載試驗(yàn)、以及固定葉片偏角改變負(fù)載的試驗(yàn)等研究；將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬得出的規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。同時(shí)，通過試驗(yàn)研究驗(yàn)證擺式河流動(dòng)能發(fā)電裝置設(shè)計(jì)方案及其數(shù)值