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。     

漂浮式立轴潮流水轮机波浪载荷分析

波浪对漂浮式潮流能水轮机的水动力性能具有重要的影响,论文采用切片理论建立和三维水轮机无辐射运动时立轴潮流水轮机水动力载荷近似计算公式,计算分析了浪流同向条件下,海能1号2×150 k W漂浮式潮流电站两叶片固定偏角立轴水轮机在波浪中的水动力载荷。计算结果表明,波浪中潮流水轮机水动力具有双频特性;水轮机工作工况下,每增加1 m波高,水轮机极限载荷增加27%,在相同波高条件下,主轴极限载荷随波长的增加而增大。     

垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析

在开放海域运行的潮流能水轮机需要应对复杂多变的海洋环境,要有较好的刚度、强度和抗疲劳性能。这对水轮机结构,尤其是为其运行提供动力的叶片结构的设计提出了较高要求。文中建立了垂直轴潮流能水轮机叶片及流场的三维数值计算模型,基于ANSYS商业软件提供的CFX与瞬时结构模块的双向流固耦合分析功能,分析了叶片在不同流速下的流体力学性能,分析了流场的三维效应及其引起叶片升力损失的原因,研究了其结构的刚度和强度特性。还对比分析了使用铝合金和钢材作为水轮机叶片材料的优劣。     

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。     

潮流能水轮机尾流场及涡特性DDES模拟

为研究潮流能水轮机尾流场流动特性及涡结构组成,基于DDES(Delayed Detached Eddy Simulation)模型对不同流速和转速的4种工况下水轮机尾流场进行数值模拟,并进一步探究其尾流场空间涡结构的变化特性。结果表明,水轮机的数值模拟结果与试验结果能够较好吻合。对比不同工况下的尾流场模拟结果可知:水轮机尾流区域流动复杂,延迟分离涡模拟方法能有效模拟水轮机旋转过程中产生的叶尖涡、叶尖脱落涡、轮毂涡等不同涡结构,并能完整观察到叶尖涡的产生、脱落、失稳、破碎过程。转速一定时,流速越大,叶尖脱落涡、轮毂涡的发展距离越远;流速一定时,转速越大,涡的发展距离越短。本文数值模拟计算结果可为实际海况中潮流能阵列水轮机的布局提供可靠依据。     

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。     

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%。     

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。     

基于多目标遗传算法的潮流能水轮机专用翼型优化设计

根据潮流能水轮机的工作条件与技术要求,开发新型潮流能水轮机叶片专用翼型。建立多目标优化模型,采用遗传算法进行寻优求解,得到最大相对厚度范围为12.6%～38.8%的五种新翼型,构成潮流能水轮机叶片专用翼型族系列。开发了水平轴潮流能水轮机设计软件,搭建潮流能水轮机叶片翼型数据库,通过在潮流能水轮机设计软件中调用叶片翼型数据,为潮流能水轮机叶片设计提供方便。     

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。     

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。     

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。     

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.     

山东省周边海域潮流能资源评估

采用基于三角形可变分辨率网格系统的三维海洋模型,模拟得到2012—2013年山东周边海域的潮汐潮流。对该海域潮流能进行模拟研究,结果表明:通过检验发现SELFE对山东周边海域的潮汐潮流具有较强的模拟能力。平均流速、最大流速、最大可能流速与能流密度分布一致,较大的区域都发生在渤海海峡和成山头海域,年平均能流密度分别达到600 W/m2和500 W/m2;选取了13个能流密度较大的重点断面,对山东省潮流能资源进行评估,山东省潮流能蕴藏量总量为1 202.9 MW,资源较为丰富。其中,渤海海峡诸水道潮流能蕴藏量为914.2MW,占山东省潮流能总资源储量的76%;成山角断面潮流能蕴藏量为190.3 MW,占山东省潮流能总资源储量的16%。综合以上计算结果及环境因素,文章推荐开发潮流能的海域为渤海海峡诸水道(尤其是北隍城北侧水道)和成山角海域。潮流能的开发利用对于解决能源短缺、改善全球生态环境和维持可持续发展具有重要意义,能够为我国维护海洋权益、迈向深蓝提供科学依据。     

考虑发电机尾流作用的潮流能理论可开发量的评估

In this study, we construct one 2–dimensional tidal simulation, using an unstructured Finite Volume Coastal Ocean Model(FVCOM). In the 2–D model, we simulated the tidal turbines through adding additional bottom drag in the element where the tidal turbines reside. The additional bottom drag was calculated from the relationship of the bottom friction dissipation and the rated rotor efficiency of the tidal energy turbine. This study analyzed the effect of the tidal energy turbine to the hydrodynamic environment, and calculated the amount of the extractable tidal energy resource at the Guishan Hangmen Channel, considering the rotor wake effect.     

琼州海峡潮流能资源的数值模拟评估

近年来,我国能源消耗量不断的增长使我们更加重视可再生能源的开发利用,而我国近海拥有复杂的海岸线和广阔的大陆架,其中许多海域蕴藏着丰富的潮流能资源。潮流能资源评估则是其电站站址选择、发电量预测等工程设计的首要工作。结合两个站位的潮流实测数据,本文利用FVCOM海洋环流数值模式较好的模拟了琼州海峡潮波传播状况,分析了该海域潮流能资源水平分布规律和时间变化特征,初步估算了该水道的潮流能的理论蕴藏量,并采用FLUX方法对该水道的技术可开发量进行了评估。结果表明,琼州海峡中心海域功率密度高,两岸资源低;可能最大流速、大潮年平均最大功率密度、小潮年平均功率密度和年平均功率密度等特征值分布基本相似;其丰富区域出现在海峡东口南部海域以及海峡中部海域,其中东口南部海域可能最大流速可达4.6 m/s,表层流大潮年平均最大功率密度为5996 W/m²,小潮平均最大功率密度仅为467 W/m²,年平均功率密度为819 W/m²,代表点超过0.7 m/s的潮流流速年统计时间约为4717 h;海峡潮流能资源理论蕴藏量为189.55MW,利用FLUX、FARM、GC方法得到该水道的潮流能可开发量分别为249GW/yr、20.2GW/yr和263GW/yr。     

潮流能发电装置测试平台结构设计浅析

目前我国已研制出潮流能发电装置,实海况试验是潮流能发电装置从工程样机走向规模产业化应用的关键环节,为此迫切需要建设发电装置试验测试平台以试验测试发电装置发电效率。文章就潮流能发电装置试验测试平台结构设计做进一步研究,以期为今后该类平台设计提供有益的参考。     

基于非规则网格模型的全球潮流能评估

利用网格有限体积海洋模式,在非规则网格模型中考虑内潮黏性和自吸−负荷潮联合作用,建立了包括M2、S2、N2、K1、O1、Q1共6个分潮的天体引潮力驱动全球纯动力潮汐模型。在全球潮汐模型结果验证的基础上,系统计算和统计评估全球潮流能平均密度,并给出全球范围内潮流能较大区域的潮流能分布。结果显示,英吉利海峡处存在面积接近33 000 $ {{\rm{k}}{\rm{m}}}^{2} $,最大潮流能密度达到1 100 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $的大潮流能带;加拿大巴芬岛西侧海域最大潮流能密度超过了1 150 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;阿拉斯加沿海库克湾海域最大潮流能密度达到了500 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;俄罗斯白海入口处潮流能带面积较大,最大潮流能密度达到了500 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;澳大利亚沿海潮流能带面积不大,但数量众多,潮流能密度普遍超过了100 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $;中国近海在长江口杭州湾海域以及台北以北海域潮流能密度达到了100 $ {\rm{W}}/{{\rm{m}}}^{2} $。