潮流能发电装置支撑结构对水轮机水动力学性能影响研究

水平轴潮流能水轮机在工作过程中,由于支撑结构的存在,会使水轮机周围流场中的潮流流向、流速等参数发生不同程度的改变,进而影响水轮机的性能和发电装置的稳定性。为了研究支撑结构对水轮机水动力学性能的影响规律,以某100 k W单立柱座底式潮流能发电装置的支撑结构为研究对象,采用CFD方法,分别在正、反向来流时采用不同支撑结构的共六种工况下,对潮流能水轮机模型的获能和受力进行数值模拟。通过水槽模型试验,验证数值模拟的可靠性。研究结果表明:支撑结构对水轮机的水动力学性能的影响不容忽视,针对所研究的支撑结构,在正向来流时水轮机的获能系数降幅约30%,轴向力系数降幅约28%;反向来流时的降幅更大,分别约为63%和41%。     

海底地形对潮流能水轮机水动力学性能影响数值模拟研究

为研究海底地形尾流对潮流能水轮机水动力学性能的影响,采用CFD方法,使用开源软件Code_saturne,选取具有代表性的二维梯形地形,对有无地形两种工况下的水轮机的性能分别进行数值模拟,得到不同尖速比的水轮机性能参数曲线。通过水槽试验与数值模拟结果对比,验证用CFD数值模拟直接求解含有地形流场中的水轮机各项性能参数的可靠性。利用数值模拟方法对梯形地形的尾流分布进行分析,进而研究海底地形尾流对水轮机性能的影响距离,为潮流能水轮机的微观选址提供一定参考。     

潮流能水平轴水轮机湍流模型研究初探

借助计算流体力学(CFD)方法研究潮流能水平轴水轮机水动力学性能,选择合适的湍流模型至关重要。为此,本文采用计算流体力学软件Fluent,将Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型分别应用到水平轴水轮机数值模拟当中。对数值模拟结果进行分析比较,并与模型试验数据进行对比,得出应用SSTk-ω湍流模型可以更好的模拟潮流能水平轴水轮机的水动力学性能。     

两种湍流模型在潮流能水轮机数值模拟中的适用性研究

在对特定湍流条件下的水平轴潮流能水轮机进行数值模拟时,不同的湍流模型对于计算结果具有一定的影响。为选择合适的湍流模型对所设计水轮机的三维流场进行描述,将采用常用的两方程模型(SSTk-ω与Realizable k-ε)进行数值模拟,得到不同工况下水轮机的性能参数以及水轮机后1.5D处流场的流速、湍流强度分布情况,并进行模型水槽试验,试验值与采用两种湍流模型进行数值模拟得到的仿真值对比表明:在低尖速比工况下,采用SSTk-ω进行数值模拟得到的仿真值比Realizable k-ε更接近试验值,在较高尖速比时,采用Realizable k-ε进行模拟得到的数值更接近试验值;采用两种湍流模型进行数值模拟得到的速度分布具有相似性,但对于湍流强度的预测,SSTk-ω更具有优势。考虑此水轮机的实际工况,选择SSTk-ω湍流模型进行描述更加合理。     

波浪对潮流能水轮机性能测试影响的实验研究

随着潮流能开发利用技术日趋成熟,对其测试工作也提出了更高的要求。然而,在潮流能装置性能测试中,波流相互作用的影响往往被忽略,导致测试结果不准确。为了研究波流相互作用对测试的影响方式与程度,采用物理模型试验的方法,对垂直轴潮流能发电装置模型进行了试验研究。通过分析波流作用下装置的扭矩、转速及发电功率,发现波流与发电装置耦合作用明显,相比不存在波浪影响的情况下,叶轮的转动、主轴的扭矩都变得不规则,启动流速变小,同时,扭矩、转速及发电功率的瞬时值显著增大。测试结果表明,波流相互作用对装置性能测试影响显著,平均影响程度约10%,研究结果为今后潮流能发电装置性能测试标准的制定和完善提供了参考和依据。     

浮潜式载体对潮流能水轮机性能的影响研究

浮潜式载体是一种创新性的潮流能水轮机载体形式,在设计时,需在保证其上浮下沉及拖航稳定性的同时,尽量减小载体结构形式对其所搭载水轮机的影响。采用计算流体力学方法对两种浮潜式载体结构形式下水轮机运行状态及流场流速分布进行研究,计算结果表明:浮潜式载体中有无坡度对于水轮机的功率系数与轴向力系数影响很大,功率系数在提高的同时,轴向力系数也相应的增加,因此在保证水轮机获能的同时,需要对结构进行稳定性校核;水轮机在额定流速条件下,浮潜式载体的存在对于水轮机上游流速有一定的加强作用,有坡度浮潜式载体因其导流聚流作用将流速提高0.4 m/s左右,更有利于水轮机获能和效率的提高。     

200kW潮流能发电装置漂浮式载体运动对水轮机性能影响分析

200 kW潮流能发电装置是"500 kW海洋能独立电力系统示范工程"课题的重要组成部分,其采用的是漂浮式载体结构,漂浮式载体的运动对水轮机的效率和载荷有着重要影响。本文采用CFD方法对载体单自由度运动对水轮机效率和载荷影响进行研究,计算结果表明:漂浮式载体晃荡对水轮机平均效率和平均载荷影响不大,对水轮机瞬时效率和瞬时载荷影响较大,会使瞬时效率和瞬时载荷发生明显的波动,且使最大值增大。由于漂浮式载体晃荡对水轮机瞬时效率和载荷带来的影响对水轮机的结构是不利的,需要在设计时考虑水轮机实际运行时漂浮式载体晃荡的影响。     

考虑转捩影响的潮流能水轮机翼型水动力学性能数值模拟

为了更准确地模拟潮流能水轮机的水动力学性能并研究边界层转捩对水轮机翼型水动力学特性的影响,本文采用κ-ε湍流模型以及γ-Re_θ转捩模型对水轮机翼型水动力学性能进行了考虑转捩的数值模拟。在进行转捩模拟时通过CFD软件的UDF接口将转捩经验关系式导入求解器中,在-5°～25°攻角范围内对水轮机翼型的水动力学性能进行了数值模拟。比较湍流模拟与转捩模拟下水轮机翼型的升阻力系数以及流场特征,结果表明:对水轮机翼型水动力学性能进行全湍流模拟时在小攻角范围内忽略了转捩前的层流状态,导致湍流模拟所得到的升力系数小于使用γ-Re_θ转捩模型的转捩模拟所得的升力系数;阻力系数则大于转捩模拟所得的结果;相比于全湍流模拟,转捩模拟时会更早的进入深失速状态。     

水平轴潮流能水轮机阵列对区域潮流场影响研究

为考察水轮机阵列对区域潮流特性的影响,本文基于Delft 3D-Flow建立斋堂岛及附近水域的三维水力学模型并通过实测数据进行校验。经验证后的模型,采用TSE方法确定阵列在目标水域中的放置位置,并通过动量损失方式模拟水轮机对流场的影响,进而研究和评估在一定水域面积下不同水轮机数量组成的阵列对潮流场的影响。仿真结果显示:该水域放置水轮机阵列将对附近较大范围水域的水位产生影响,在靠近阵列处水位变化最大能达到3 cm;对区域流速影响较为显著,当阵列中水轮机密度较大时,其尾流影响区域局部时刻流速下降能达到45 cm/s且影响距离可延伸至其下游2 km外。     

潮流能水轮机仿真及尾流场分析

为了研究潮流能水轮机尾流场的变化规律,本文在水平轴水轮机现有理论基础上,采用计算流体力学技术建立了数值模型,计算了水轮机的功率特性,进行了网格独立性验证,比较了模型中旋转区域不同对结果的影响。仿真结果与试验结果进行了对比分析,验证了数值模型的有效性。研究了全工况下尾流场速度衰减随尖速比和距离变化的规律,结果显示在小尖速比下尾流场速度恢复情况相对大尖速比下较好;靠近水轮机轮毂中心线位置处,衰减相对较大。研究建议水轮机在同等功率表现下尽量选择在小尖速比下工作,水轮机组在实际排列时避免采用成列布置,水轮机设计阶段应综合考虑功率特性和尾流场衰减。本文研究内容可以为潮流能水轮机的研究以及阵列式应用提供参考。     

潮流发电水轮机基于动量定理的性能计算方法研究

以潮流发电水轮机的设计为研究背景,分析和总结了基于动量定理方法的四种流管模型(单盘面-单流管模型、双盘面-单流管模型、单盘面-多流管模型和双盘面-多流管模型)在竖轴变攻角水轮机的水动力性能计算中的应用,特别是能量利用率预报方面的应用。说明基于动量定理的模型在求竖轴变攻角潮流发电水轮机的水动力性能方面,能够预报一些定性特性和总体趋势,为水轮机的设计和计算提供一种初步方法。     

水平轴潮流能水轮机水动力数值模拟研究

针对水平轴潮流能水轮机,对其进行了力学分析并运用CFD方法对其水动力性能进行了仿真计算。比较了定常计算与非定常计算结果的区别,运用定常计算(MRF)方法得到了表现水轮机性能的功率、扭矩和推力特性曲线,分析了水轮机在不同尖速比时的表现。对水轮机模型进行了拖曳水池试验,并与仿真数据进行了比对分析,两者吻合度较好,并分析了试验过程中出现的在尖速比较大时功率系数衰减的现象,表明CFD方法对水轮机的工程实践有着指导意义。得到了尾流场的速度云图、流线分布图与衰减曲线,结果表明相对于水轮机的直径,受到其影响后的流场存在扩张现象。分析了水轮机后不同位置处的流场衰减情况,结果显示,随着水轮机后轴向距离的不同其速度恢复差别很大,对于今后潮流能水轮机的大规模布置方式研究提供了依据。     

涡流发生器对潮流能水轮机翼型水动力学特性影响的数值模拟

为了改善潮流能水轮机叶片表面流动分离问题,提高其升阻比,本文通过在潮流能水轮机叶片表面加装涡流发生器,来研究涡流发生器对潮流能水轮机水动力学性能的影响。本文以NACA4418翼型为研究对象,分别建立了含VGs和不含VGs的三维模型,利用CFD方法研究了VGs的高度、长度以及相邻一对VGs之间的间距等多个方面对该翼型性能的影响。结果表明:VGs可以有效地提高翼型的最大升力系数;相邻VGs间距的增加对流动分离的抑制有积极影响。此外,通过对尾迹区流线和旋涡的分析,进一步揭示了尾迹区的流场特征。     

水平轴潮流能水轮机数值模拟方法对比分析

叶素动量理论和CFD方法是水平轴潮流能水轮机性能分析中运用较为广泛的数值模拟方法,文中结合小尺寸水轮机模型试验,对比分析了叶素动量理论和CFD方法在水轮机性能分析中的准确性和适用性.验证结果表明:叶素动量理论和CFD方法均能对水轮机的性能进行预报,且CFD精度高于动量叶素理论;大尖速比时,动量叶素理论偏离较高,不再适合性能预报;在小尖速比下,建议采用RNGk-ε模型的CFD方法进行分析计算;动量叶素理论适合设计初期设计方案的对比分析,而CFD方法适合对设计结果的验证校核和详细分析.     

潮流能水轮机设计载荷工况研究

随着技术的不断发展,潮流能开发利用国际和国内分别进入了准商业化和示范工程阶段,但潮流能利用方面相关标准研究仍处于起步阶段,潮流能发电装置的相关设计标准的缺失,严重制约了潮流能发电装置的产业化进程。以500 k W海洋能独立电力系统示范工程项目潮流能水轮机的设计经验为基础,开展潮流能水轮机设计载荷工况研究,从外部环境条件、发电机组运行状态、载荷设计工况等几方面进行了分析研究,为今后水轮机设计标准的制定奠定了基础。     

潮流能发电装置在航标灯供能中的应用与仿真研究

通过对比几种可再生能源的优缺点,提出了一种专供水中航标灯使用的垂直轴潮流能发电装置。该装置使用一套上下共轴反置的Savonius叶轮作为捕能装置。当水流流过时,叶轮转动并带动发电机发电。为了提高Savonius叶轮的发电效率,对叶片进行了流体仿真优化,得出2叶片Savonius叶轮受到更大阻力和转矩的结论。最后设计了整体结构图,该装置安装在航标灯上可以利用潮流、水流进行发电,以实现航标灯对电能需求的自给自足。     

悬浮轮辋式潮流能发电装置的导流罩水动力学性能仿真研究

中国潮流能储备量巨大但大部分地区流速较低,针对这一问题设计一款安装方便、自动对向的小型悬浮轮辋式潮流能水轮机.运用数值模拟方法,对不同前缘形状、尾部张角和长度比例的导流罩水动力学性能进行研究,分析悬浮轮辋式水轮机的诱导因子,得到1.5 m/s流速下的导流罩诱导因子达-0.8902,且ai+ad<0.通过比较,斜面前缘、...     

潮流发电帆翼式柔性叶片水轮机实验研究

潮流发电水轮机是海洋潮流能发电系统的核心组成部分.帆翼式柔性叶片水轮机是一种全新水流发电装置,叶片由柔性材料制成,在流体力作用下自动调节攻角,能充分利用流体的升力和阻力效应做功.以帆翼式柔性叶片水轮机获能系数为研究目标,采用因次分析法初步分析可能影响获能系数的因素,通过模型实验对叶片弧弦比、叶片边弦比、叶片密度与获能系数的关系进行研究.不同结构形式转子存在不同叶片弧弦比最佳值,叶片边弦比愈大,获能能力愈强;在一定范围内,叶片密度较小时,获能与起转能力强,转速波动性较大,适用于低流速工况;反之获能与起转能力弱,稳定性较好,电能质量较高,适用于高流速工况.最后提出优化方案,实验证实优化后水轮机在获能能力和发电能力上均有所提高.     

潮流能水轮机水动力分析方法

潮流水轮机是潮流能转换装置的核心装备,潮流水轮机水动力性能和载荷则是潮流能转换装置总体设计和结构设计的基本依据。到目前为止,流动分离、流固耦合、空化以及复杂环境条件等强非线性因素对潮流水轮机水动力的影响仍然是一个值得研究的问题。本文基于哈尔滨工程大学在潮流能利用技术领域多年的研究成果,对潮流水轮机在均匀流水动力分析和流固耦合分析的不同数值方法及相关计算结果进行了回顾和对比分析,并提出了一种水轮机波浪载荷的计算模型。     

潮流能水平轴水轮机叶片优化研究

叶片对潮流能水轮机的性能有很大的影响,因此对叶片进行优化研究对于提高潮流能水轮机的效率的重大意义。本文对50kW潮流能水平轴水轮机进行了叶片设计,针对水轮机具体的运行环境,以提高水轮机获能为目标,应用遗传算法对叶片弦长和扭角进行了优化设计。通过对比实际工况下水轮机的获能特性得知,优化的叶片获能系数和获能功率较原叶片有所提高,从而证明应用遗传算法进行叶片优化的可行性,为水轮机叶片优化提供了新的方法。