基于BEM的水輪機(jī)流固耦合方法研究.pdf

1、隨著人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，傳統(tǒng)化石能源正日益枯竭同時(shí)又伴隨著嚴(yán)重的環(huán)境問題，潮流能作為清潔的可再生能源，對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)有著重要意義。水平軸潮流能水輪機(jī)作為潮流能轉(zhuǎn)換重要裝置，對(duì)潮流能的開發(fā)利用起著決定性作用。目前，大多數(shù)基于CFD和CSD的實(shí)現(xiàn)的流固耦合計(jì)算方法分析潮流能水輪機(jī)，而在此過程中建模耗時(shí)長、計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量巨大，計(jì)算時(shí)間長，對(duì)計(jì)算機(jī)的配置要求高。建立一種高效快速又考慮流固耦合效應(yīng)的方法對(duì)潮流能水輪機(jī)發(fā)展有重要意義。葉素動(dòng)量理論作為

2、高效的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒啓C(jī)水動(dòng)力性能計(jì)算過程中已經(jīng)應(yīng)用與驗(yàn)證，對(duì)于細(xì)長體，粱理論實(shí)現(xiàn)了完美匹配，在實(shí)現(xiàn)簡化計(jì)算的同時(shí)其計(jì)算結(jié)果具有一定的參考意義，通過這兩種理論的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)快速高效的計(jì)算。
　　本文首先以葉素動(dòng)量理論為基礎(chǔ)，外加葉尖輪轂修正、三維修正、偏航修正等補(bǔ)充模型建立水輪機(jī)的水動(dòng)力計(jì)算模型。通過與參考文獻(xiàn)中提供的功率輸出和推力的計(jì)算對(duì)比驗(yàn)證模型是否可行。然后，采用2結(jié)點(diǎn)12自由度歐拉伯努利梁單元為基礎(chǔ)的有限元模型，以Newma

3、rk-β法作為數(shù)值分析方法求解了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)計(jì)算，檢驗(yàn)方法及程序的有效性。最后以速度和受力作為反饋項(xiàng)建立流體與結(jié)構(gòu)的耦合模型，實(shí)現(xiàn)單向耦合、雙向耦合、變槳、偏航等功能的計(jì)算。運(yùn)用該方法進(jìn)行了多流速下葉片載荷、水輪機(jī)性能和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算，分析了葉片振動(dòng)對(duì)水輪機(jī)性能的影響，以及偏航作用對(duì)于水輪機(jī)流-固耦合下性能的影響，最后通過調(diào)節(jié)葉片剛度的方式考察水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)對(duì)水輪機(jī)輸出的影響。計(jì)算結(jié)果表明采用基于 BE