一种垂直轴平面片洋流发电模型的设计及数值模拟

论文摘要

随着经济的发展,人口的增加,社会生活水平的不断提高,人们对能源的需求迅速增长。在当前的能源结构中,我国现阶段所利用的主要能源是石油、天然气、煤炭等化石燃料,这些燃料属于不可再生能源。大量使用化石燃料,一方面导致其日渐枯竭,另一方面也带来了严重的环境问题。我国属于海洋大国,海洋资源丰富,洋流能作为一种清洁的可再生能源,具有分布广、储量大、无污染等特点,因此,如何利用洋流能进行清洁可持续发电成为了世界各国的研究重点。水轮机作为洋流能能量转换的核心装备,本文以设计的垂直轴多叶片水轮机作为研究对象,对叶片以及水轮机单机在流场域中的流体动力性能进行了研究。文中首先在对水轮机现有研究的基础上,总结了垂直轴水轮机的优点,介绍了其结构特点以及工作原理,分别对水轮机叶片及整个叶轮的受力情况进行了分析,阐述了与水轮机水动力性能计算相关的贝兹理论模型与双盘面多流管理论模型。然后,针对水轮机的叶片翼型建立物理模型,对翼型在不同的流场域条件下进行了定常数值模拟计算,研究了叶片翼型在不同攻角以及不同流速下的绕流特征。随后,将水轮机与水槽组成的整体作为数值模拟的模型,在研究过程中忽略转轴以及横梁对流场分布的影响,将模型整体简化为二维模型,对简化后的模型进行了非定常二维数值模拟,研究了来流速度、叶轮旋转速度以及水轮机叶片数这三个影响因素对水轮机水动力性能的影响规律。最后,利用三套不同尺寸的水轮机实物进行试验验证,在试验数据的基础上对水轮机的能量利用率进行了计算与分析,对利用垂直轴多叶片水轮机进行发电的可行性与适用性进行验证。通过本文的研究,可以模拟出叶片翼型周围的流场分布以及水轮机附近流场域中流体的流动状态,得出水轮机的一些基本参数对其水动力性能的影响规律。通过实物试验对设计的水轮机发电效果进行验证,为后期对水轮机基本参数及结构进行优化奠定了基础。

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致谢

摘要

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第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 洋流发电机介绍

1.3 国内外洋流发电技术研究进展

1.3.1 国外洋流能发电技术研究进展

1.3.2 国内洋流能发电技术研究进展

1.4 本课题研究内容

第二章叶轮力学分析与数值分析方法概述

2.1 垂直轴水轮机的优点

2.2 传统垂直轴水轮机的结构与工作原理

2.3 水轮机叶片受力分析

2.3.1 叶片受力情况

2.3.2 叶片受力分析

2.4 水轮机仿真计算的理论模型

2.4.1 贝兹理论

2.4.2 双盘面多流管模型

2.5 数值模拟理论

2.5.1 数值模拟方法及分类

2.5.2 计算模型介绍

2.5.3 数值模拟计算的研究步骤

2.6 本章小结

第三章水轮机叶片数值模拟

3.1 翼型介绍

3.2 数值计算方法

3.2.1 叶片物理模型

3.2.2 叶片工况一数值计算过程

3.2.3 叶片工况二数值计算过程

3.3 数值计算结果分析

3.3.1 翼型在工况一下的结果分析

3.3.2 翼型在工况二下的结果分析

3.4 本章小结

第四章多叶片式水轮机水动力性能二维数值模拟

4.1 水轮机模型介绍

4.2 叶轮数值计算过程

4.3 数值计算结果分析

4.3.1 来流速度的影响

4.3.2 叶轮转速的影响

4.3.3 叶片数量的影响

4.4 本章小结

第五章多叶片垂直轴水轮机样机入水试验

5.1 水轮机实验平台

5.2 实验结果分析

5.3 水轮机芜湖下水实验

5.4 水轮机上海下水实验

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 论文总结

6.2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 崔堃

导师: 洪占勇,郭世光

关键词: 垂直轴水轮机,变攻角,水动力性能,数值模拟,样机实验

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 合肥工业大学

分类号: P743;TM612

总页数: 95

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