竖轴潮流能水轮机被动变桨数值模拟研究

竖轴水轮机的旋转不受来流方向影响,但其自启动性能较差,能量转化率低于水平轴水轮机。根据已有研究,被动变桨水轮机在旋转过程中叶片经过多数方位角区域时升力有所提高。本文通过计算流体力学软件Fluent,给定叶片不同限位角,研究叶片在水动力作用下在限位角内的变桨对竖轴水轮机能量转化率的影响,将其与定桨距水轮机进行对比,为提高水轮机性能提供合理建议。     

竖轴水轮机叶片安装位置对水动力性能影响的研究

本论文旨在研究竖轴水轮机叶片安装位置对水轮机水动力性能的影响,考虑到竖轴水轮机叶片延展向剖面相同的特点,本文将水轮机模型简化为二维模型并利用开源软件OpenFOAM对竖轴水轮机进行了研究。首先文章给出了水轮机模拟中多个参数的取值策略,之后对不同叶片安装位置的三叶片竖轴水轮机进行了CFD瞬态模拟,得出了其功率系数随叶尖速比的变化曲线。最后,文章通过分析水轮机功率、推力及侧向力系数,发现了叶片安装位置接近叶片中心位置时,水轮机在运行中受到的载荷较小等结论。     

竖轴变偏角潮流发电水轮机的叶片控制机构

为了进行竖轴变偏角潮流发电水轮机的水动力性能的模型试验研究,需要设计该水轮机的试验模型,关键是进行水轮机叶片控制机构的设计.在比较现有的变偏角叶片控制机构的设计思路和工作特点基础上,设计了三种适用于竖轴变偏角潮流水轮机的叶片控制机构,并分别给出了工作原理和装配图,介绍了叶片控制机构的实现方法.最后对三种控制机构的性能、造价等因素进行比较,为进一步的模型试验奠定了基础.     

水轮机影响域的数值仿真计算

运用CFD方法,建立潮流能水轮机分析模型,采用MRF(多参考系)模型和滑移网格技术对水轮机进行水动力性能的模拟计算,验证了CFD方法预报水轮机性能的可靠性。初步总结水轮机在潮流中工作的水动力特性,并计算了水轮机间距对水轮机性能及尾流场的影响。结合Fluent后处理软件Tecplot对计算结果处理分析,得到水平轴水轮机在工作过程中对周围流场的影响。研究发现,当水轮机间距为2D时,水轮机相互影响较小,在水轮机尾后方4D处,速度基本恢复为来流速度。为海上可再生能源试验平台的概念设计提供了参考和指导,为平台总布置设计提供了有意义的理论基础。     

潮流能水轮机叶片结构设计及水动力性能分析

基于叶素动量理论对水平轴潮流能水轮机叶片外形进行设计,并结合Wilson方法修正计算模型,采用Matlab软件对叶片进行优化计算,得到优化后的弦长和扭角.通过坐标转换得到优化后翼型的三维坐标,将得到的坐标导入SolidWorks软件中建立叶片的三维模型.最后通过Fluent软件对设计的水轮机在不同尖速比下进行三维数值模拟.计算结果表明,设计的水轮机在水流速度为0.8 m/s,叶尖速比为3时,捕能系数能取得较大值,且水轮机无回流现象,具有良好的水动力特性.     

剪切流对水平轴潮流能水轮机水动力性能影响

为了研究剪切流下潮流能水平轴水轮机水动力载荷特性,本文基于CFD方法,建立剪切流模型,计算了剪切流下水平轴水轮机的水动力载荷,并分析得出剪切率对水动力载荷的影响规律。结果表明：剪切流情况下,水动力载荷系数时历曲线发生明显波动,除弯矩系数的波动频率和叶轮旋转频率一致外,其他系数的波动频率均是叶轮旋转频率的2倍,且剪切率越大,水动力载荷系数的波动幅值就越大;随着速比增大,弯矩系数的波动幅值逐渐增加,而侧向力系数波动幅值先增加再减小,在最优速比左右达到最大值。研究成果可为潮流能水平轴水轮机的结构设计和性能优化提供依据。     

导流型自动调向变桨距水平轴潮流能水轮机结构设计与性能研究

潮流能水轮机是海洋潮流能开发的主要装置之一,其工作性能对提高海洋能源利用效率具有重要意义。为了研究潮流能水轮机变桨水动力特性,本文建立潮流能水轮机水动力模型,并结合实际模型进行变桨力矩计算,计算结果与实际相符,可为工程实践提供参考。     

竖轴潮流能水轮机试验平台设计及工作性能测试

针对竖轴潮流能水轮机工作性能的研究,文中采用搭建试验试验平台方法,以竖轴潮流能水轮机为研究对象,在波流循环水槽中进行试验。试验平台主要包括数据采集及控制系统,其具体为:伺服电机、转矩转速传感器、数据采集及处理系统。通过此试验系统,可获取转速、转矩等参数,从而对水轮机的工作性能开展研究。     

水平轴潮流能叶轮设计与水动力特性分析

潮流能是海洋可再生能源的重要组成部分,为提高潮流能利用效率,本文基于叶素-动量理论(BEM)方法,给出Glauert涡流设计理论在水平轴潮流能叶轮设计上的应用。采用BEM理论和CFD数值模拟方法对设计的潮流能叶轮进行水动力性能分析,计算其在不同叶尖速比下的功率特性,2种方法的结果表现了较好的一致性。在此基础上,基于BEM理论,进一步分析叶片表面的载荷分布情况,选取叶片沿展长方向的3个不同位置,分析翼段的流体动力特性随速比的变化规律。计算结果表明,潮流能叶轮工作特性满足对功率和效率的要求,说明了设计方法的可靠性。本文的研究成果为今后水平轴潮流能叶轮设计及水动力性能预报提供有价值的参考。     

漂浮式潮流电站载体船结构强度分析

漂浮式潮流电站是一种海洋潮流能转换系统。考虑载体的稳性,经济性以及其对水轮机水动力性能的影响,文章采用一种新型双体船作为潮流电站的载体。与常规船相比,该双体船结构较复杂,中间开口结构严重不连续;采用井字结构支撑水轮机组;其无航速且必须具有足够的稳性。另外,载体结构承受的载荷特性也较为复杂,除了承受环境载荷外还要承受水轮机组的水动力载荷。因潮流电站双体船载体结构新颖,载荷复杂的特性,很难直接利用规范或者现成的理论评估电站载体结构的整体强度。文中基于三维势流理论计算载体的波浪载荷,利用CFX软件计算水轮机的水动力载荷,采用"等效刚性轴"方法施加载荷;最后利用有限元方法对载体船结构进行计算。计算结果显示:该方法能够真实反映支撑结构的应力分布特点。该文的研究可为潮流能电站载体结构选型,设计提供参考,将对弥补能源短缺,缓解环境污染起到重要作用。     

非均匀流场中螺旋桨线谱噪声指向性分析

为了对非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的指向性特征进行分析,在Ffowcs William-Hawkings方程的基础上,建立了非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的频域预报理论,该理论可对声源在真实桨叶表面进行积分。讨论了螺旋桨叶数、来流谐波阶数以及叶片表面力对线谱噪声指向性的影响。结果表明,特征耦合系数是线谱噪声指向性分布形态的决定因素,并且当特征耦合系数等于零时,辐射噪声主要由轴向力和主要谐波所贡献;当特征耦合系数不为零时,轴向力和主要谐波的贡献只集中于桨轴方向,而桨盘面处的噪声贡献则来源于周向力和与叶片数目相等的谐波。     

叶轮级数对一种潮流水轮机水动力性能的影响研究

为了进一步提高潮流能水轮机叶轮的能量捕获性能(获能效率),对一种多级获能潮流水轮机叶轮进行了研究。利用ANSYS16.0 中的CFX流体仿真模块对一种潮流水轮机的叶轮级数进行了数值计算,对不同级数的叶轮进行水动力性能模拟,考察一、二、三级叶轮在不同流速下呈现的速度、压力分布以及流场压差变化情况,并通过样机实验进行了验证。结果表明,叶轮级数的增加可以提高轮机对水流能量的捕获性能；就各个流速工况下的整体获能系数而言,三级叶轮最佳,但启动性能有所下降,三级叶轮启动流速在0.75m/s左右；三级叶轮的最优水速在1.5m/s左右,理想状态下获能效率可达51%上下。     

半潜式风、潮流联合发电平台水动力分析（英文）

Energy shortages and environmental pollution are becoming increasingly severe globally. The exploitation and utilization of renewable energy have become an effective way to alleviate these problems. To improve power production capacity, power output quality, and cost effectiveness, comprehensive marine energy utilization has become an inevitable trend in marine energy development. Based on a semi-submersible wind-tidal combined power generation device,a three-dimensional frequency domain potential flow theory is used to study the hydrodynamic performance of such a device. For this study, the RAOs and hydrodynamic coefficients of the floating carrier platform to the regular wave were obtained. The influence of the tidal turbine on the platform in terms of frequency domain was considered as added mass and damping. The direct load of the tidal turbine was obtained by CFX.FORTRAN software was used for the second development of adaptive query workload aware software, which can include the external force. The motion response of the platform to the irregular wave and the tension of the mooring line were calculated under the limiting condition(one mooring line breakage). The results showed that the motion response of the carrier to the surge and sway direction is more intense, but the swing amplitude is within the acceptable range. Even in the worst case scenario, the balance position of the platform was still in the positioning range, which met the requirements of the working sea area. The safety factor of the mooring line tension also complied with the requirements of the design specification. Therefore, it was found that the hydrodynamic performance and motion responses of a semi-submersible wind-tidal combined power generation device can meet the power generation requirements under all design conditions, and the device presents a reliable power generation system.     

20kW矩形潮流能发电机组结构设计及优化

潮流能是一种开发成本低、对环境影响小、具有良好商业前景的理想绿色新能源。研究了一种新型能量利用率高、水动力性能优良的矩形潮流能水轮机,给出了发电机组总体设计方案和基本尺寸,利用ANSYS软件对支撑结构在额定工况和极限工况下进行强度校核,并采用Screening优化法和NLPQL优化法进行优化设计,优化后的结构重量可以降低13.3%,具有良好的经济效益。     

近海风电场风机桩群布局对海域水动力条件的影响

为了探讨海上风力发电场规划实施后风机桩群对附近海域水位、流速、潮通量等水动力条件的影响,建立了长江口、杭州湾及其附近海域大范围平面二维潮流数学模型,研究结果表明:风机实施的影响范围及程度与工程海域的潮流特性、风机布置形式等有关,就上海风电规划而言,风电场的实施基本没有对附近海域造成较大影响。     

冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

针对冰水混合环境下冰阻塞逼近效应对螺旋桨水动力性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能试验,测试了冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨模型水动力性能影响。试验结果表明,冰阻塞物一方面改变流场特征直接影响螺旋桨模型推力和扭矩,另一方面改变桨叶的空泡特性进而影响水动力性能。在无空化状态,随着垂向和轴向阻塞逼近程度的加深,在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加;而在桨叶严重空泡的重载状态,螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显,桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。     

柔性叶片垂直轴潮流能水轮机性能分析（英文）

In this study, a vertical axis tidal turbine with flexible blades is investigated. The focus is on analyzing the effect of flexible airfoils types and blade flexibility on turbine net output power. To this end, five different flexible airfoils(Symmetric and Non-symmetric) are employed. The results show that the use of a thick flexible symmetric airfoil can effectively increase output power compared to that achievable with a conventional rigid blade. Moreover, the use of highly flexible blades, as opposed to less flexible or rigid blades, is not recommended.     

Performance analysis of a vertical axis tidal turbine with flexible blades

In this study, a vertical axis tidal turbine with flexible blades is investigated. The focus is on analyzing the effect of flexible airfoils types and blade flexibility on turbine net output power. To this end, five different flexible airfoils (Symmetric and Non-symmetric) are employed. The results show that the use of a thick flexible symmetric airfoil can effectively increase output power compared to that achievable with a conventional rigid blade. Moreover, the use of highly flexible blades, as opposed to less flexible or rigid blades, is not recommended.     

Structural analysis of an offshore vertical axis wind turbine composite blade experiencing an extreme wind load

The vertical axis wind turbine (VAWT) configuration has many advantages for an offshore wind turbine installation. The VAWT is omnidirectional and its rotating mechanical components can be placed close to sea level. In this paper, the structural analysis of a VAWT blade structure subject to a critical load case was investigated with two methods, an analytical model and a finite element (FE) model. It was shown that the utilisation of a composite blade topology can resist the induced flapwise loading and the material strains were contained within their allowable limits. The analytical approach was demonstrated to be a quick and accurate technique to compute the composite blade strain distribution when compared to the FE model results.