柔性葉片潮流能水輪機水動力學性能研究.pdf

1、海洋潮流能作為一種可再生能源成為國內(nèi)外研究的熱點，我國海洋潮流能儲量豐富，其開發(fā)利用潛力巨大。潮流水輪機作為獲取海洋潮流能的能量轉(zhuǎn)換裝置，是潮流能開發(fā)利用的關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)原理、動力機制以及性能優(yōu)化是研究的重點和難點。 本文作者借鑒帆船推進機理、柔性風帆耦合作用以及帆翼的氣動力特性，創(chuàng)新性地研制了一種新型潮流能能量轉(zhuǎn)換裝置--柔性葉片水輪機。采用能充分利用流體運動作用力的柔性材料制作水輪機葉片，能很好地適應水流作用發(fā)生形變，自動調(diào)節(jié)

2、攻角，并能充分利用與水流間相互耦合作用產(chǎn)生的升力效應和阻力效應做功，獲能效率較高，具有許多剛性葉片所不具備的優(yōu)點和良好的水動力學性能。 提出了柔性葉片的幾何形態(tài)以及柔性葉片水輪機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式；分析了柔性葉片在水輪機運動過程中的形變規(guī)律及受力特性，初步探討了柔性葉片水輪機的工作原理和性能特點，建立了柔性葉片水輪機主要水動力性能參數(shù)的數(shù)學模型，并通過量綱分析確定了影響柔性葉片水輪機性能的主要因素。 鑒于柔性葉片水輪機因涉及

3、柔性葉片與水流間相互耦合作用和動力機制的復雜性，提出了運用風浪流水槽模型實驗與計算流體力學數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究其動力學性能的思路和方法。 建立了柔性葉片水輪機風浪流水槽模型實驗系統(tǒng)和水動力學性能測試平臺，確定了柔性葉片水輪機實驗模型水動力學性能的測試方法，設(shè)計了十幾種不同葉片形狀、布置方式、結(jié)構(gòu)形式和安裝方式的柔性葉片水輪機實驗模型，并利用風浪流水槽進行了大量實驗，對柔性葉片水輪機的水動力學性能及其影響因素有了較全面的認知

4、，對柔性葉片及水輪機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式進行了初步篩選和優(yōu)化。 計算流體力學的快速發(fā)展為解決柔性葉片與水流間的耦合作用和水輪機的動力學性能預測以及數(shù)值模擬提供了可能。本文在借鑒有關(guān)柔性翼、降落傘充氣過程和心臟瓣膜流固耦合等研究方法的基礎(chǔ)上，提出了柔性葉片流固耦合的求解思路和運用計算流體力學(CFD)方法進行柔性葉片水輪機水動力性能數(shù)值模擬的方案，即首先建立了柔性葉片在流體中的流固耦合控制方程，通過雙向流固耦合求解柔性葉片的變形；其次利

5、用求解的各柔性葉片形狀，建立柔性葉片不同轉(zhuǎn)角位置的瞬時物理模型；然后采用動網(wǎng)格技術(shù)，編譯用戶自定義函數(shù)，實現(xiàn)了柔性葉片水輪機的數(shù)值模擬和水動力學性能的預測。 本文綜合運用風浪流水槽模型實驗和計算流體力學數(shù)值模擬的方法，研究和驗證了柔性葉片水輪機的水動力學性能，分析了影響柔性葉片水輪機水動力學性能的主要因素，對其結(jié)構(gòu)、參數(shù)和性能進行了優(yōu)化配置，并在此基礎(chǔ)上，對潮流能發(fā)電海試水輪機進行了設(shè)計優(yōu)化，研制了5kW潮流能發(fā)電海試樣機，通過