垂直軸潮流能水輪機(jī)及導(dǎo)流涵道的水動力性能模擬.pdf

1、海洋中蘊(yùn)含著豐富的能量，且目前開發(fā)不足。對于潮流能發(fā)電而言，由于其安全可靠，清潔無污染，具有較強(qiáng)的開發(fā)前景。潮流能水輪機(jī)主要分為兩類，一類是水平軸式，另一類是垂直軸式。相比于水平軸水輪機(jī)，垂直軸水輪機(jī)結(jié)構(gòu)形式相對簡單、并能適應(yīng)任意的來流方向，不需要額外的換向裝置。然而，其能量轉(zhuǎn)換效率低于水平軸式水輪機(jī)，且在運(yùn)行時有較大的轉(zhuǎn)矩脈動，容易引起結(jié)構(gòu)疲勞。另外，水輪機(jī)的輸出端通常直接或間接的與發(fā)電機(jī)相連，發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中會產(chǎn)生負(fù)載力矩，該負(fù)載

2、相當(dāng)于一個阻尼器，會反作用于水輪機(jī)，因此，不同的發(fā)電機(jī)負(fù)載會改變水輪機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。
　　本文首先利用ANSYS FLUENT數(shù)值模擬軟件對垂直軸潮流能水輪機(jī)的水動力性能及能量利用率進(jìn)行了分析。采用了與之前海試中使用的相類似的垂直軸水輪機(jī)，在分析中考慮了變轉(zhuǎn)速及輸出端負(fù)載對水輪機(jī)的影響，并通過負(fù)載系數(shù)確定了四種工況。結(jié)果證實，在穩(wěn)定運(yùn)行時水輪機(jī)轉(zhuǎn)速非恒定，會在某一區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)周期性變化。而隨著輸出端負(fù)載的增大，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速會降低并且脈動

3、性增強(qiáng)。另外，在一定范圍內(nèi)，隨著負(fù)載的增大，能量利用率會相應(yīng)提高，最大值可達(dá)到46％，但若繼續(xù)增大負(fù)載，則會發(fā)生過載現(xiàn)象。
　　然后，就垂直軸潮流能水輪機(jī)的不足，提出了一種導(dǎo)流涵道裝置，并對其增速性能進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，導(dǎo)流涵道可明顯提高來流流速，其最大值可達(dá)來流速度兩倍。并且流速較大區(qū)域集中于涵道內(nèi)部中間段，據(jù)此則可確定水輪機(jī)的擺放位置。
　　最后，將導(dǎo)流涵道與垂直軸水輪機(jī)二者進(jìn)行結(jié)合，同樣考慮變轉(zhuǎn)速及輸出端負(fù)載的影響，對

4、二者整體的水動力性能進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果分別與單獨(dú)水輪機(jī)及單獨(dú)導(dǎo)流涵道的結(jié)果進(jìn)行對比，用以評估水輪機(jī)與導(dǎo)流涵道二者相互作用機(jī)理。結(jié)果證實，雖然單獨(dú)導(dǎo)流涵道裝置的增速性能十分明顯，但水輪機(jī)的存在會明顯降低通過導(dǎo)流涵道內(nèi)流體的流量，該下降幅度甚至遠(yuǎn)低于自由來流時的理論流量。另外，結(jié)果也顯示，導(dǎo)流涵道的存在會減弱通過水輪機(jī)流體的紊流現(xiàn)象及流體向四周流動的趨勢，起到了整流和提高流體利用率的作用。并且該效應(yīng)可完全彌補(bǔ)因?qū)Я骱来嬖诙斐傻牧髁肯?/p>