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柔性叶片水轮机获能区的研究及应用

作　者: 尹克金
导　师: 王树杰
学　校: 中国海洋大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 海流能水轮机柔性叶片获能区淹没度
分类号: TM315
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 28次
引　用: 1次
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内容摘要

柔性叶片水轮机是一种新型海流能获取装置,其叶片为采用柔性材料制作的三角形,在水流的作用下发生自适应变形,可充分利用流体的升力效应和阻力效应做功,具有较高的获能效率,自启动能力强,适用流速范围广。其转动方向只与柔性叶片的安装方向有关,可适应双向往复来流,若采用竖轴方式安装则能适应各向来流。转子制作简单,叶片安装方便,有广阔的应用前景。本文以柔性叶片水轮机获能区的研究为工作重点,分析了柔性叶片水轮机的受力特性,提出了正负获能区的概念,明确了获能区的分布,在此基础上提出了一种通过减小负获能区的不利影响来提高柔性叶片水轮机整体获能能力的方法,并综合运用理论分析、数值模拟和水槽模型实验进行了分析和验证。建立了柔性叶片水轮机单叶片数学模型,分析了柔性叶片在整个转动过程中的受力特性。提出了正负获能区的概念,从受力分析的角度提出了柔性叶片在整个转动过程中可能存在负获能区。对柔性叶片水轮机水动力特性进行了数值模拟。模拟了单排柔性叶片水轮机在整个转动周期内12个位置对主轴的转矩,初步明确了柔性叶片水轮机获能区的分布情况。为了便于研究获能区对柔性叶片水轮机获能能力的影响,提出了淹没度的概念,即通过改变淹没度来减少流经负获能区的水流,从而减小负获能区对柔性叶片水轮机获能能力的不利影响。对不同淹没度条件下的柔性叶片水轮机模型进行了转矩模拟,模拟结果显示,柔性叶片水轮机获能能力随着淹没度的增加呈现先增后减的趋势,找到了数值模拟条件下的最佳淹没度,从数值模拟的角度证明了减小负获能区的不利影响确实可以起到提高柔性叶片水轮机整体获能能力的作用。设计制作了柔性叶片水轮机实验模型,搭建了柔性叶片水轮机水槽实验水动力性能测试和数据采集系统。测量了单排柔性叶片水轮机在整个转动周期中12个不同位置对主轴的转矩,进一步明确了柔性叶片水轮机获能区的分布情况。全叶片柔性叶片水轮机在不同淹没度条件下对主轴转矩的水槽模型实验显示：柔性叶片水轮机的获能能力随着淹没度的增加呈现先增后减的趋势；在最佳淹没度条件下柔性叶片水轮机整体获能能力比全淹没时提高13%。从模型实验的角度进一步证明,通过减小流经负获能区的水流以达到改变负获能区对整体获能能力不利影响的方法是可行的。对数值模拟结果和水槽模型实验结果进行了分析。分别对数值模拟和模型实验中单排柔性叶片水轮机对主轴的转矩之和与全叶片水轮机全淹没情况下对主轴的转矩进行了对比,分析了单排叶片水轮机转矩之和大于全叶片水轮机全淹没条件下转矩的原因,提出了叶片密实度研究的必要性。最后,在理论分析、数值模拟、模型实验的基础上,针对不同的环境条件提出了小功率漂浮式结构和大功率桩柱式升降转子结构两种工程应用方案,从工程应用的角度对本文研究进行了拓展,为后续海流能开发提供了一定的参考。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-30
  1.1 海流能开发的意义  12-13
  1.2 国内外海流能利用技术的研究现状及进展  13-22
    1.2.1 国外海流能利用技术的现状及进展  13-20
    1.2.2 国内海流能发电技术现状和进展  20-22
  1.3 提高水轮机获能能力的方法  22-26
  1.4 研究内容  26-30
    1.4.1 课题来源  26
    1.4.2 本文主要研究工作  26-28
    1.4.3 论文结构  28-30
2 柔性叶片水轮机及其水动力特性  30-36
  2.1 柔性叶片水轮机简介  30-31
  2.2 柔性叶片水轮机水动力特性分析  31-36
3 柔性叶片水轮机获能能力数值模拟  36-55
  3.1 计算流体力学发展及研究现状  36-37
  3.2 Fluent简介  37-39
  3.3 柔性叶片水轮机建模设置及条件假设  39-40
  3.4 单排柔性叶片水轮机获能区数值模拟  40-48
    3.4.1 单排柔性叶片水轮机在不同位置模型建立  41-43
    3.4.2 单排叶片水轮机在稳定流体中压力分布及流线图  43-46
    3.4.3 单排柔性叶片水轮机受力及转矩数值模拟  46-48
  3.5 柔性叶片水轮机在不同淹没度条件下获能能力数值模拟  48-51
  3.6 数值模拟结果分析  51-53
  3.7 本章工作及结论  53-55
4 柔性叶片水轮机获能能力水槽实验  55-62
  4.1 实验设备及实验条件  55-56
  4.2 水槽模型实验  56-60
    4.2.1 实验数据采集系统搭建  56
    4.2.2 单排柔性叶片水轮机获能区水槽模型实验  56-58
    4.2.3 全叶片柔性叶片水轮机淹没度水槽模型实验  58-60
  4.3 水槽模型实验结果分析  60
  4.4 本章工作及结论  60-62
5 柔性叶片水轮机获能区研究结论分析及工程化开发应用  62-70
  5.1 柔性叶片水轮机获能区研究结论分析  62-63
  5.2 工程化方案选型  63-65
  5.3 小功率漂浮式海流能发电方案设计  65-66
  5.4 大功率桩柱式升降转子海流能发电方案设计  66-68
  5.5 本章工作及结论  68-70
6 结束语  70-74
  6.1 本文工作及结论  70-72
    6.1.1 主要研究工作  70-71
    6.1.2 主要研究结论  71-72
  6.2 主要创新点  72
  6.3 不足与研究展望  72-74
参考文献  74-77
致谢  77-78
个人简历  78-79
发表的学术论文  79

柔性叶片水轮机获能区的研究及应用

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