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%。     

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。     

配有导流涵道的垂直轴潮流能水轮机的水动力性能研究

垂直轴潮流能水轮机具有结构简单、适应任意流向等优点,但其能量转换效率低于水平轴水轮机,在运行时有较大的转矩脉动,不利于水轮机的平稳运行,易引起结构疲劳。本文针对垂直轴潮流能水轮机的运行特点,提出了一种导流涵道装置,利用数值模拟方法对比分析水轮机在有无导流涵道装置情况下的水动力性能。结果表明,导流涵道可以起到整流的作用,使流体在水轮机盘面内的流动更加平顺。另外,导流涵道装置不仅可以提高水轮机的能量利用率,还能有效改善作用在水轮机叶片上的水力驱动力矩脉动和转速脉动,改善了水轮机运行状态,提高了结构可靠性。     

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。     

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。     

水平轴潮流能发电装置结构对其水动力性能的影响

为研究水平轴潮流能发电装置结构对其水动力性能的影响,运用格子玻尔兹曼(LBM)方法,建立水平轴潮流能发电装置的数值模拟分析模型,对水轮机在不同尖速比工况下的水动力性能进行模拟。将模拟结果与同工况水池拖曳实验得到的数据相对比,二者捕获能系数误差在2%左右,验证了LBM方法的可行性和准确性。在此基础上利用LBM方法研究机舱和立柱结构对水轮机特性的影响,得到其对水轮机捕获效率的影响规律。     

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。     

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。     

基于UDF的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究

针对水平轴潮流能水轮机被动旋转问题,基于Fluent 17.0,运用UDF(User Defined Function)控制滑移网格对网格进行动态调整,仿真研究水轮机在不同安放角下被动旋转的水动力特性。通过仿真分析,结果表明:潮流能水轮机随着叶片安放角度的增加,尖速比、输出功率、捕能系数都是先增大后减小,叶片安放角为6°时,叶轮前后速度差最大,对潮流能利用充分,且各项性能均达到最佳;通过分析叶片受力,叶尖叶素在安放角为2°时阻力最大,3°时升力最大,升阻比在6°时最大,此时叶尖叶素升阻比C_L/C_D=6.27、攻角α=3.06°。由仿真结果可知水平轴潮流能叶轮的自启动过程由5个阶段组成,即加速度增大的加速运动段—加速度减小的加速运动段—加速度反向增大的减速运动段—加速度反向减小的减速运动段—稳定运行段,这对潮流能水轮机的设计具有重要的指导意义。     

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。     

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。     

横轴半潜式潮流能发电装置设计与试验研究

为了促进深远海养殖装备朝智能化方向发展,解决电能供给困难的问题,克服抗风浪网箱受波流耦合作用对太阳能和风能利用的局限性的问题,针对养殖区域的低流速海域,提出了一种适用于深远海可升降网箱的横轴半潜式潮流能发电装置,建立了Savonius型水轮机叶片受力数学模型,分析了叶轮中心与水面的距离对水轮机捕能效率的影响,利用Fluent软件数值模拟了导流增速浮体的速度场情况,设计了发电装置整体结构及锚泊系统,搭建了发电装置试验模型,开展了物理模型试验,测试了不同水流速度情况下与叶轮相对离水距有关的各参数变化情况,并对试验数据进行分析。试验结果表明,在不同的水流流速下,随着离水距的不断增加,捕获功率呈先增加后减小的趋势,当叶轮中心高出水面1/4个叶轮直径时,叶轮的输出功率最大。     

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。     

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。     

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.     

一种新型鲸鱼式潮流能发电装置的设计与试验研究

为了进一步提高潮流能的利用率,提出了一种新型鲸鱼式潮流能发电装置。借鉴风机叶片设计方法及水平轴水轮机的设计原理,利用结构力学、流体力学和CFD相关方法,对该装置的螺旋桨叶、导流筒和固定桩等部件进行了设计研究,从获能效果、装置可靠性和发电功率等方面进行了优化设计,并通过900 W样机试验验证了设计的有效性。试验结果显示,海流高潮期装置最大发电功率可达到980 W,一天内大约有4个缓潮期,此间发电功率明显下降,但持续时间不长,总体平均发电功率在800 W上下;同时潮流能轮机启动流速在0.41 m/s左右,有着良好的低速启动性能。     

复杂地形下岸式波能装置的水动力学计算

本文从线性势流理论出发,用格林函数法对带前港的岸式波能装置(下简称岸式装置)作三维水动力分析,分析时考虑了岸式装置附近的复杂地形的影响。计算结果表明,复杂地形的影响是相当大的,不可忽略。     

新型潮流波浪集成柔性浪轮式发电轮机的研究

为了寻求波浪和潮流能集成利用的可能性,基于Gorlov浪流集成理论,提出一种新型潮流波浪集成发电轮机结构,主要包含组合式导流罩、S型叶片轮机、发电机、浮体4个部分。通过水动力理论计算、流体数值模拟以及水槽实验结合的方式,对其进行结构的优化设计。实验证实了轮机优化方案的可行性以及浪流获能合理性。     

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。