立轴水轮机振荡运动及水动力系数分析
随着传统化石能源日益枯竭及其带来的环境问题日益突出，潮流能作为一种清洁无污染的可再生能源，为能源结构注入新的活力。潮流能水轮机作为潮流能转换装置的核心部分，而备受各国专家学者的关注。漂浮式立轴潮流能发电装置具有载体结构形式简单，水轮机不受来流方向影响等特点。实际海洋环境中，在波浪的作用下，漂浮式载体的摇荡运动会引起水轮机相对来流速度的周期性变化，从而改变水轮机的水动力特性。目前，在潮流能立轴水轮机水动力性能研究中，主要侧重水轮机绕固定主轴旋转时水动力性能，涉及水轮机摇荡运动的内容较少，因而本文针对立轴水轮机在振荡运动时的水动力性能展开研究，并对立轴水轮机水动力系数进行计算分析。 首先，为分析漂浮式潮流能立轴水轮机在波浪作用下的水动力特性，本文建立了立轴水轮机在均匀来流中的周期性单自由度强迫振荡运动模型，采用 CFD动网格模型模拟了立轴水轮机旋转过程中的单自由度振荡运动，分析了振荡运动对水轮机水动力载荷及性能的影响规律；然后，在建立立轴水轮机水动力系数计算模型的基础上，基于CFD计算结果，通过拟合分析，计算了水轮机停机状态下以及工作状态下的水动力系数；最后，对三维立轴水轮机进行了数值模拟，研究了三维效应对立轴水轮机水动力特性的影响，分析了不同展长半径比下立轴水轮机载荷以及水动力系数的差异。 研究结果表明：立轴潮流能水轮机具有振荡运动时，叶轮载荷平均值不变，瞬时载荷波动加剧；载荷均值和波动幅值随速比、叶片数及密实度的变化趋势与无振荡运动时相同，但波动幅值增加；载荷波动幅值随振荡频率和振幅线性增加；立轴水轮机附加质量力较小；工作状态下水轮机阻尼系数是叶轮位置角的周期性函数，与振荡频率、振荡幅值以及旋转运动和振荡运动之间相位差无关，随速比、叶片数和密实度改变明显。本文的研究成果对于真实海洋环境中水轮机水动力特性的分析，以及完善漂浮式潮流电站的频域运动响应方程具有重要意义。
立轴水轮机;振荡运动;载荷波动;水动力系数;数值模拟;潮流能
哈尔滨工程大学
硕士
流体力学
盛其虎
2015
中文
TK730;P743.3
91
2016-05-05（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）