復(fù)雜環(huán)境下水平軸潮流能葉輪水動(dòng)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(diǎn)。漂浮式潮流能發(fā)電裝置由于具有載體結(jié)構(gòu)形式簡單，適用水深范圍廣，易于維護(hù)、移動(dòng)和回收等優(yōu)點(diǎn)，越來越受各國專家學(xué)者的關(guān)注。但是，潮流能葉輪工作的實(shí)際海洋環(huán)境異常復(fù)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(dòng)力特性產(chǎn)生不同程度的影響。特別是波浪的存在，導(dǎo)致漂浮式載體隨波浪產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，而葉輪與載體固定連接，從

2、而引起水輪機(jī)葉輪相對來流速度及其水動(dòng)力特性的變化。目前，關(guān)于水平軸潮流能葉輪的水動(dòng)力研究仍注重于均勻流環(huán)境條件下的水動(dòng)力性能與載荷分析，而對葉輪在上述復(fù)雜環(huán)境下的水動(dòng)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(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行時(shí)的水動(dòng)力問題及其計(jì)算方法開展理論和試驗(yàn)研究，這不僅為葉輪的水動(dòng)力性能與載荷預(yù)報(bào)提供設(shè)計(jì)理論支持和相關(guān)數(shù)據(jù)，而且對潮流能水輪機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的校核、運(yùn)行控制策略的設(shè)計(jì)及載體運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的研究，都具有重要的學(xué)術(shù)意義和

3、應(yīng)用價(jià)值。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在模型試驗(yàn)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(yàn)，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(yàn)結(jié)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(dòng)力性能的影響規(guī)律，對水平軸葉輪有了更為全面的認(rèn)知。試驗(yàn)研究為水平軸葉輪水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)提供了大量有價(jià)值的信息，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也為數(shù)值模擬方

4、法的有效性驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證了水平軸葉輪 CFD數(shù)值方法的有效性。在此基礎(chǔ)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(yùn)動(dòng)時(shí)水輪機(jī)葉輪運(yùn)行的CFD數(shù)值模擬方法。該方法的特點(diǎn)是采用滑移網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格相結(jié)合的網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)方式，保持了計(jì)算過程中的網(wǎng)格質(zhì)量，有利于提高計(jì)算速度及精度。⑶針對自由液面效應(yīng)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(dòng)力特性進(jìn)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(yùn)動(dòng)時(shí)水平軸葉輪運(yùn)行的水動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)水平軸葉輪運(yùn)行的水動(dòng)力性能進(jìn)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)時(shí)的流場特性，給出搖蕩頻率、搖蕩幅值及轉(zhuǎn)速對葉輪流場特性的影響規(guī)律。⑸在水平軸葉輪水動(dòng)力系數(shù)計(jì)算方面，提出了一種基于CFD方法和最小二乘法原理的計(jì)算方法。將水平軸葉輪主軸單自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)水動(dòng)力載荷的CFD計(jì)算結(jié)果，分解成均勻流水動(dòng)力、與搖蕩速度相關(guān)的阻尼力及與搖蕩加速度相關(guān)的附加質(zhì)量力，從而得到水平軸葉輪的水動(dòng)力系數(shù)。通過比較不同搖蕩頻率、搖蕩幅值及轉(zhuǎn)速下的水動(dòng)