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柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究

作　者: 赵龙武
导　师: 王树杰
学　校: 中国海洋大学
专　业: 工程热物理
关键词: 柔性叶片水轮机流固耦合计算流体力学动网格用户自定义函数
分类号: TV734.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 220次
引　用: 5次
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内容摘要

柔性叶片水轮机是一种新型潮流能能获取装置,采用柔性材料作为叶片,柔性叶片适流形变,可充分利用流体的升力效应和阻力效应提取水能,具有较高获能效率,在较低转速下亦具有较好自启动能力,适用流速范围广,同时柔性叶片可适应双向往复来流,竖轴安装能适应各向来流,转子制作简单,叶片安装方便,有广阔的应用前景。但作为一种新型水轮机其流体动力特性有待于深入研究,认知其流体动力里原理,对其性能进行优化研究,以此来获得更高的流体动力性能,为其最终的广泛应用奠定基础。流体数值模拟现已广泛应用于汽车、船舶、航空、水力发电、环境保护等领域,本文从计算流体力学的角度出发对柔性叶片水轮机进行研究,通过数值模拟方法对水轮机的流体性能进行预测,但因柔性材料在流体中存在复杂的流固耦合关系,流固耦合思路、求解方法等都有待于深入研究完善。本文结合扑翼研究、帆翼研究、心脏瓣膜、血管瘤等相关知识,学习探讨了流固耦合的基础知识,讨论了流固耦合的实现方法;对单个柔性叶片在流体中的变形进行了流固耦合分析,得到了不同迎流状态下柔性叶片的形状;在柔性叶片水轮机实验研究的基础上,讨论了柔性叶片水轮机流固耦合数值模拟的方法,提出了简化可行的求解思路,使复杂的柔性叶片转动过程的流固耦合过程求解变得经济可行,并对水轮机的流体动力性能进行了有效的预测。本文主要研究结论有:实现了柔性叶片在流体中的流固耦合分析,为柔性叶片水轮机的流体动力特性数值模拟提供了基础;分析了柔性叶片水轮机数值模拟的实现途径,提出了预测水轮机流体动力性能的简化方法;分析了单个柔性叶片转动的流体动力特性,叶片在一个转动周期内主要承受正向转矩,阻力转矩其主导作用。分析了尖速比、弧弦比、叶片张角等对水轮机性能的影响,尖速比是水轮机的重要性能参数,可为水轮机发电系统的发电机及电控系统的设计提供参考和依据。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
1 前言  10-16
  1.1 潮流能开发利用现状  10-12
  1.2 柔性叶片水轮机及其工作原理  12-14
  1.3 研究意义  14
  1.4 本文主要内容和研究方案  14-16
    1.4.1 主要研究内容  14-15
    1.4.2 研究方案  15-16
2 流固耦合理论基础及柔性叶片水轮机数值模拟方法  16-34
  2.1 计算流体动力学概述  16-17
  2.2 流固耦合控制方程  17-21
    2.2.1 流体力学控制方程  17-18
    2.2.2 结构域控制方程  18-21
  2.3 三维湍流模型及其在CFD 中的应用  21-24
    2.3.1 湍流基本方程  21
    2.3.2 湍流的数值模拟方法简介  21-24
  2.4 流固耦合求解方法  24-26
  2.5 柔性材料流固耦合研究现状  26-30
  2.6 柔性叶片水轮机数值模拟方案研究  30-32
    2.6.1 在FLUENT 中加载结构分析模块进行流固耦合求解方法  30-32
    2.6.2 在ANSYS 和CFX 中对柔性叶片水轮机进行数值求解方法  32
  2.7 柔性叶片水轮机数值模拟简化方法  32-33
  2.8 本章小结  33-34
3 柔性叶片流固耦合分析  34-43
  3.1 ANSYS 和CFX 进行流固耦合计算介绍  34-35
  3.2 柔性叶片结构分析模型建立  35-36
  3.3 流体域模型及边界条件  36-37
  3.4 柔性叶片流固耦合结果及分析  37-42
  3.5 本章小结  42-43
4 柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟  43-61
  4.1 移动与变形区域的流体计算  43-44
  4.2 动网格和用户自定义函数（UDF）  44-47
    4.2.1 动网格守恒方程  44-45
    4.2.2 动网格更新方法  45-46
    4.2.3 用户自定义函数  46-47
  4.3 柔性叶片水轮机数值模拟过程  47-48
    4.3.1 柔性叶片水轮机模型建立  47-48
    4.3.2 网格划分及边界条件  48
    4.3.3 边界条件  48
    4.3.4 动网格的实现  48
  4.4 网格数量的影响  48-49
  4.5 数值模拟结果及分析  49-58
    4.5.1 水轮机叶片压力分布  49-52
    4.5.2 尖速比对柔性叶片水轮机性能影响  52-54
    4.5.3 弧弦比对水轮机性能的影响  54-55
    4.5.4 柔性叶片张角影响  55-58
  4.6 柔性叶片水轮机性能分析  58-60
    4.6.1 单排叶片升力阻力分析  58-59
    4.6.2 各排水轮机叶片转矩分析  59-60
  4.7 本章小结  60-61
5 结论和展望  61-63
  5.1 本文总结  61
  5.2 工作展望  61-63
参考文献  63-67
致谢  67-68
个人简历  68-69
硕士期间发表论文情况  69

柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究

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