低含沙水流水平軸潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力特性研究.pdf

1、隨著社會(huì)生產(chǎn)和人類生活前所未有的發(fā)展，能源的開發(fā)利用成為不可或缺的動(dòng)力支持。而傳統(tǒng)的礦產(chǎn)資源因過度開采，瀕臨枯竭。潮流能屬于可再生的清潔能源且儲(chǔ)量豐富，具有良好的環(huán)境友好性。我國潮流能儲(chǔ)量約占全球的14％，浙江舟山群島海域受水道的束流作用，潮流平均流速達(dá)到2～3 m/s。并且該海域水道利用島嶼的保護(hù)，海況平穩(wěn)，易于開發(fā)。
　　開發(fā)利用潮流能的關(guān)鍵技術(shù)是潮流動(dòng)能的獲取，最常用的設(shè)備是水輪機(jī)，手段是先聚能、再換能，即將水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為

2、水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，進(jìn)而通過齒輪箱、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能。水文資料表明，舟山海域平均含沙量約0.187～0.551g/L。流經(jīng)水輪機(jī)的來流攜帶泥沙時(shí)，泥沙顆粒受水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)的影響，必然反作用于紊流脈動(dòng)，并且顆粒間難免互相碰撞。泥沙顆粒往往跳躍式前進(jìn)，又因顆粒非規(guī)則幾何實(shí)體，所受合力不穿過重心，產(chǎn)生的力矩導(dǎo)致顆粒自轉(zhuǎn)。尤其在流速和轉(zhuǎn)速較高的情況下，水輪機(jī)盤面附近及近尾流區(qū)處于湍流狀態(tài)，顆粒的旋轉(zhuǎn)將會(huì)加劇流場(chǎng)的脈動(dòng)，形成許多漩渦，是消耗壓能的根源

3、，能量的損失導(dǎo)致水輪機(jī)輸出功率下降，水力效率也下降。
　　本文首先研究了亞臨界雷諾數(shù)下的圓柱繞流和方柱繞流，探究低含沙水流對(duì)水中結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力特性的影響。低含沙水流的主體是懸移質(zhì)，通過研究圓柱和方柱的受力探索懸移質(zhì)對(duì)水流粘性系數(shù)的作用機(jī)制，通過分析柱體尾流區(qū)漩渦脫落規(guī)律和流場(chǎng)分析探求懸移質(zhì)對(duì)水流紊動(dòng)擴(kuò)散的影響。并且，通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證CFD方法的可靠性。
　　繼而查閱水輪機(jī)設(shè)計(jì)的方法，計(jì)算水輪機(jī)葉片參數(shù)，通過翼型設(shè)計(jì)軟件Pro

4、fili，分析翼型動(dòng)力特性，選用高升阻比的NA63A614，確定各葉素的攻角，MATLAB編程計(jì)算葉片參數(shù)，對(duì)安裝角和弦長重新優(yōu)化。經(jīng)MATLAB計(jì)算的三維坐標(biāo)導(dǎo)入三維建模軟件SolidWorks，得到葉片的三維實(shí)體。
　　基于低含沙水流對(duì)圓柱和方柱繞流的作用機(jī)理的初步認(rèn)識(shí)，對(duì)水平軸潮流能水輪機(jī)在低含沙水流中的表現(xiàn)展開探索。在二維繞流研究的基礎(chǔ)上，利用CFD對(duì)潮流能水輪機(jī)在清水和渾水的表現(xiàn)進(jìn)行對(duì)比分析。著重分析水輪機(jī)清水和含沙流場(chǎng)

5、的靜壓、流線、葉尖渦、渦量強(qiáng)度等水動(dòng)力參數(shù)，初步揭示了水輪機(jī)在低含沙水流下的特性。沙粒自進(jìn)入流場(chǎng)即影響流場(chǎng)靜壓，尤其是葉片表面和近尾流區(qū)。沙粒的旋轉(zhuǎn)影響渦量強(qiáng)度，破壞葉尖渦的形狀。顆粒對(duì)水輪機(jī)水動(dòng)力參數(shù)有顯著的影響，含沙濃度高，流體粘性增強(qiáng)，軸向推力增大;含沙濃度高，顆粒的旋轉(zhuǎn)和碰撞也更加劇烈，消耗壓能，水輪機(jī)的輸出功率低，某含沙量8％海況的水輪機(jī)功率比無沙海況降幅可達(dá)20％。低含沙水流對(duì)流速的影響體現(xiàn)在遠(yuǎn)尾流區(qū)，含沙濃度高流速在遠(yuǎn)尾流