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。     

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。     

波浪作用下安装深度对水平轴潮流能水轮机水动力性能的影响研究

在海洋环境中,波浪等环境因素会使水轮机受到非均匀载荷作用,从而造成水轮机疲劳破坏。为了获得较高的获能效率,同时保证较大的疲劳寿命,需要合理布置水轮机位置。为此,利用计算流体动力学软件Fluent对波流相互作用下水轮机水动力性能进行数值模拟,得到不同安装深度下水轮机所受轴向力、扭矩、轴向力系数、获能系数等相关参数。利用3D打印技术制作水轮机模型,并在水槽中进行模型试验,验证了VOF造波方法对波浪作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能分析的适用性。研究结果表明:波浪和安装深度对水轮机有很大影响,即在波浪作用下,水轮机水动力性能的瞬时值均发生周期性波动,且这种周期性波动均随着安装深度的增加而逐渐减小;虽然水轮机所受轴向力和扭矩的平均值受水轮机安装深度的影响很小,但是随着安装深度的增加两者均呈现出逐渐增大的趋势;此外,水轮机平均轴向力系数和功率系数随着安装深度的增加也呈现出逐渐增大的趋势。对不同安装深度下水轮机水动力性能的研究可以为水轮机载荷分析、叶片加工制造以及安装位置的选取提供一定的参考。     

鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率研究

为了更加切合实际地研究鸭式波浪能转换装置的水动力特性及效率,考虑了鸭式装置可绕定轴转动以及装置的附加质量和附加阻尼,以ANSYS14.0软件为平台建立二维数值波浪水槽,对装置在不同波浪条件作用下的受力情况与运动情况进行了数值模拟与分析。结果表明:(1)在相同波高条件下,随着波浪周期的增大,装置受到的水动力力矩增大,转换效率下降,转换效率最高可达到70%;(2)在相同周期条件下,随着波高的增大,鸭式装置受到的水动力力矩也随之增加,波浪在经过装置后波高会发生衰减;(3)装置转换效率总体可维持在70%左右,但由于波峰到达装置时会有部分波浪从其顶部越过,随着波浪波高增大转换效率缓慢下降。为该装置的实际应用提供理论支持。     

潮汐和潮流影响下苏北辐射沙洲海域波浪模拟分析

基于第三代海浪模型SWAN,采用自嵌套的方法提供谱边界条件,对影响苏北辐射沙洲海域的一次冷空气过程和一次台风过程作用下的波浪进行了模拟。考虑到沙洲海域强潮水动力环境,分析了潮位和潮流的变化对该海域波浪的影响。结果表明,沙洲处波高和波周期受潮位影响显著,受潮流影响弱,具有潮周期起伏的特点,而波向受潮位潮流影响不显著;考虑高潮位后,以弶港为界,南北辐射沙洲波高显著增加的区域与波浪传播方向有关:波浪由北向南传播,相差不大,波浪由东向西传播,北部明显大于南部。     

考虑植物影响的波浪和波生流迭加条件下水动力特性数值模拟研究

海岸湿地是近海地区重要的生态系统,由于潮流、波浪尤其是非连续水流与植被的相互作用,导致该海域的水动力环境复杂多变。本文发展了一个深度平均二维波流耦合数学模型,模拟湿地海域波浪和波生沿岸流的运动特性。水动力模型中植物拖曳力作为源项放入动量方程中,在波浪作用量平衡方程增加波能耗散项用于解释水生植物对波浪产生的阻力作用。在动态耦合模型中,波浪模型为潮流模型提供波浪辐射应力、波高、波浪周期等数据信息,潮流模型为波浪模型提供计算的水位和流速,可以达到双向动态耦合。本文发展的波流耦合模型通过三个实验室试验数据加以验证,计算结果和实验数据吻合较好,在波浪、波生流和植物迭加条件下,所建模型能够有效地模拟波浪、沿岸流等不同现象。     

波浪作用下基于不同负载的一种Savonius型水轮机捕能性能研究

通过水轮机捕能是当前常用的海洋能利用方式之一。桨叶作为水轮机关键部件,其性能一直是研究的重点。针对目前波浪条件下带负载运转的Savonius型水轮机相关捕能性能研究较少的情况,采用数值仿真方法,结合对应工况条件的物理试验,研究了一种Savonius型水轮机在不同波浪环境下带负载运转的捕能性能。采用Star CCM+仿真软件,建立数值波浪水池,设置环境参数,划分网格调整变量进行水轮机运转的水动力模型数值研究。在造波试验水池中利用推板改变波浪周期与波高,进行水轮机运转的物理试验。采集在不同负载下水轮机桨叶的转速和扭矩数据,计算并分析功率等参数,总结变化趋势,评价捕能效果。研究发现水轮机在1.6 s的波浪周期条件下,桨叶承受1.5 N·m负载时达到最佳捕能效果,其功率为23 W。为实际海域中水轮机桨叶的结构设计研究和相关工程应用提供参考。     

波浪要素对水平圆柱杆件水动力系数影响研究

通过试验研究了波浪要素对水平固定圆柱杆件水动力系数的影响。试验利用垂直杠杆原理,提取了杆件在波浪下的水平受力历时曲线,基于改造的莫里森方程,计算了不同波浪要素下的水动力系数C_D和C_M取值。定义分析了新的波高参数KH,周期参数KT和雷诺数Re对水动力系数的影响。研究表明,整体拟合法与四点拟合法获得的水动力系数在数值上差异不大。KH、KT及Re均对水动力系数的取值有较显著影响:1)随着波高KH的增大,C_D、C_M整体呈幂指数衰减,且C_M的衰减更为迅速;2)随着波周期KT的增大,C_D、C_M整体亦呈衰减趋势;3)相同波高条件下,C_M随Re数增大而增大,而C_D值相对稳定。最后给出了波浪条件下水动力系数C_D和C_M的经验计算公式。     

基于漂浮平台的潮流能水轮机阵列优化

为开展基于漂浮式电子信息平台的潮流能提取装置（水轮机）的布置方式优化研究,本文建立潮流与水轮机阵列及漂浮电子信息平台立柱相互作用的三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模型,考虑漂浮平台水轮机组阵列并列和错列两种布置方案,分析立柱扰流对水轮机阵列流速的干扰和水轮机间尾流的相互影响,为后续的潮流能发电装置在海洋装备上的一体化设计提供数据支撑。对比分析结果表明：在设计流速0.8 m/s下,当来流角度达20°时,并列布置的平均功率系数下降35.97%,最小功率系数为0.023;而错列布置平均功率系数下降24.70%,最小功率系数为0.071。同时,结合水轮机组的设计流速下叶轮横截面流场速度分布图和水轮机尾流场水平面流速分布情况,水轮机阵列采用错列布置比并列布置布局方式更优,尾流效应影响更小,潮流能利用效率更高。     

极限波浪作用下半潜平台运动响应时域数值模拟

针对一座工作水深为500 m的半潜式海洋平台,运用时域耦合分析方法,计算其在极限波浪作用下的运动响应。通过比较平台在两种不同形式极限波浪(即畸形波和"三姐妹"波)作用下的运动响应,分析两种不同形式的极限波浪对平台运动的影响。同时通过分析畸形波的参数对平台运动幅值的影响,确定平台运动响应对畸形波参数的敏感性。分析结果表明:极限波浪在聚焦点处波高最大,当平台恰好位于聚焦点时,对平台来说最危险;畸形波的波峰值是影响平台运动的最主要参数,在平台初期设计中要考虑工作海域中极限波浪可能达到的最大值;在波峰值相同的条件下,平台运动的最大值随着畸形波的谱峰周期和有义波高的增加而增加。