水平轴海流能发电机叶片设计与性能分析

全球海洋蕴藏着丰富的海流能,合理利用海流能可以有效缓解能源危机。以额定工况下获能系数达到最大值为目标,利用叶素-动量理论设计了150 kW水平轴海流能发电机的叶片。使用叶素-动量理论结合普朗特修正和葛劳渥修正的方法,预测了海流机在不同尖速比以及不同桨距角下的水动力性能,分析了攻角和载荷沿着叶片径向的分布规律。使用CFD方法计算了海流机在不同尖速比下的水动力性能,并与理论方法的计算结果进行了比较。理论方法和CFD方法的结果均表明,所设计的海流机最大获能系数位于设计尖速比处,证明基于叶素-动量理论的水平轴海流机叶片设计方法是有效的。     

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.     

水平轴潮流能叶轮尖速比特性分析研究

针对设计尖速比对水平轴潮流能叶轮动力特性的影响问题开展研究工作。基于叶素-动量理论建立叶轮动力特性仿真模型,以叶片数量分别为2、3、4的叶轮为对象,考察设计尖速比对叶轮的功率系数的影响。研究结果表明:设计尖速比越大的叶轮,其最大效率也越高;叶片数量多的叶轮,其功率系数略优于叶片数量少的叶片。结合分析结果,给出了水平轴潮流能叶轮的设计尖速比的选择建议。     

水平轴潮流能叶轮叶片数量分析研究

叶片数量是水平轴潮流能发电叶轮的重要技术参数,对水平轴潮流能发电装置叶轮叶片数量问题进行了研究;利用叶素—动量(BEM)理论的Wilson方法设计了2叶片和3叶片两种水平轴潮流能叶轮,两种叶轮的直径、额定工作流速、启动工作流速、最大工作流速等参数一致,控制策略均采用调桨距角方案;利用WT_Perf对模型的合理性进行了验证;利用建立的仿真模型,从功率系数、发电量、轴向推力、启动力矩等4个方面,分析对比了2叶片叶轮和3叶片叶轮的特性;对比结果表明,对于流速较低的海域,使用2叶片叶轮的方案具有一定优势,符合装置实际使用情况。     

潮流能水平轴水轮机叶片扭角与弦长分布研究

叶片是潮流能水轮机的关键部件,为获取综合性能良好的潮流能水平轴水轮机,采用解析计算与CFD仿真结合的方法研究叶片扭角与弦长分布。以叶素效率最大原则,推导叶片扭角与弦长的理想分布计算模型,并研究尖速比对叶片扭角与弦长分布的影响;综合考虑水轮机获能效率、可靠性、安全性及叶片加工制造等因素,提出对叶片扭角与弦长修正分布模型;运用Fluent软件对20kW水轮机设计实例性能分析,结果显示修正模型水轮机转矩满足获能要求,轴向力明显减小,有利于工程应用中水轮机的稳定运行。     

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。     

基于逆高斯退化模型的潮流能水平轴水轮机叶片疲劳可靠性研究

为了对潮流能水平轴水轮机叶片的疲劳可靠性进行研究,选用严格单调的逆高斯过程描述水轮机叶片的疲劳性能退化轨迹。基于20kW水轮机叶片性能退化数据,并根据性能退化理论,建立水轮机叶片逆高斯退化模型。利用极大似然估计法对性能退化模型中的参数进行估计,并根据性能退化模型的可靠度评估方法对叶片的疲劳可靠性进行评估,可实现潮流能水平轴水轮机叶片在无失效寿命数据情况下的疲劳可靠性分析。     

基于M-BEMT2.0研究串列海流发电机的水动力性能

海流发电机(MCT)是开发海洋可再生能源的重要装置。在预测海流发电机水动力性能方面,修正叶素动量理论(M-BEMT)方法被验证是一种简单有效的方法。为了进一步提高M-BEMT方法的适用性和准确性,基于M-BEMT方法开发M-BEMT2.0方法包括时均法(TA-BEMT2.0)和瞬态积分法(TI-BEMT2.0),新方法考虑了来流的轴向非均匀性和周向非均匀性。首先使用文献的试验结果验证均匀来流时新方法的适用性。然后使用计算流体力学(CFD)计算结果验证非均匀来流时新方法的适用性。最后结合新方法和CFD方法深入研究两个串列排布海流发电机(MCTA)的水动力性能。基于M-BEMT2.0研究发现,均匀来流时计算结果与试验结果基本吻合,非均匀来流时新方法的计算结果优于M-BEMT的计算结果。对于MCTA,当第一个MCT的叶尖速度比越大,第二个MCT功率比和推力比恢复到90%的距离越短。     

强迫摇荡运动三维球体水动力系数的CFD计算

采用计算流体力学(CFD)的雷诺平均法(RANS方法),并考虑了自由表面的影响(采用VOF方法模拟自由表面),来模拟三维球体的单自由度强迫摇荡运动,得到纵荡、升沉及横摇的附加质量与阻尼系数。该数值模拟结果与三维势流理论计算的结果进行比较,趋势基本一致,但CFD方法更能凸显粘性的作用。本文所应用方法能合理给出浮式结构物的水动力系数,更精确描述海洋浮式结构物周围的流场,可应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究。     

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。