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。     

船体曲面几何表达及水动力性能计算的NURBS方法

采用非均匀有理B样条(NURBS)对船体曲面形状进行几何表达,所生成的网格直接用于后续的有关船体水动力性能计算工作中。对Wigley船型的线性兴波阻力和斜航操纵运动的船体,结合近似的Kutta条件作了相应的数值计算,从与试验结果的比较来看,该方法具有较好的工程精度,对船舶及海洋工程领域中的计算机辅助设计(CAD)与计算流体动力学(CFD)之间的相互集成,具有推动与促进作用。     

水平轴潮流能水力涡轮数值模拟与试验研究

首先,使用叶素动量理论对所设计的室内试验用小型水平轴潮流能水力涡轮叶片模型进行初步计算,获得其性能参数,此后借助NUMECA软件,采用三维计算流体动力学(CFD)方法对水平轴水力涡轮进行三维水动力分析,得到其性能曲线,最后通过试验水槽进行模型试验,对BEM计算结果和CFD计算结果进行验证,结果表明:叶素动量理论和CFD方法均能对水力涡轮性能进行有效预测,且CFD方法具有更高的精度;此外,根据CFD方法得到叶片表明的压力分布,根据空化条件可知,该水力涡轮会发生空化。     

潜艇指挥台围壳对阻力和伴流场影响数值研究

采用Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方法计算潜艇三维粘性流场,分析潜艇指挥台围壳对潜艇水动力性能的影响.采用全附体SUBOFF模型验证了CFD方法,通过将螺旋桨盘面处的实效伴流场、艇体表面压力分布以及模型总阻力的模拟结果与Taylor船池的实验结果进行对比.比较结果显示CFD计算结果与实验数据具有很好的一致性,表明CFD方法可以用于潜艇指挥台围壳设计的水动力计算.通过数值计算研究指挥台围壳的高度和在艇上的分布位置对其后方的流场、螺旋桨盘面处的伴流场和阻力的影响.     

圆筒型鱼礁体纵横布设间距下的水动力特性研究

应用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件数值计算了圆筒型人工鱼礁体在不同纵向和横向布设间距下的水动力特性,实测了圆筒型人工鱼礁体在纵向布设间距1.0L和2.0L (L为礁体长度)下的流场及受力特性,验证了物理模型实验中各个测点的流速值和阻力值,计算值与实验值吻合较好.研究...     

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。     

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.     

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%。     

CFD数值分析三体船片体位置对阻力及兴波干扰影响

三体船的水动力性能是目前水动力学研究的热门。对于中高速三体船来说,其静水阻力的很大一部分由兴波阻力构成,而对于兴波最大的影响因素就是片体位置的布局。以一艘圆舭型三体船为研究对象,运用黏流计算流体力学(CFD)方法模拟分析4种不同片体位置对三体船静水阻力和兴波干扰的影响。数值计算采用自主研发的黏流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU。数值预报得到三体船静水阻力结果与模型试验结果吻合较好,验证了当前CFD方法预报三体船阻力的可靠性。通过不同片体位置三体船阻力计算发现,方案4的船型方案阻力最优,且通过细节的主片体间兴波干扰流场的结果给出了不同片体布置方案对三体船阻力和兴波的影响。     

水下机器人舵翼参数设计与优化

为获取高升力系数和升阻比的舵翼外形特征参数,本文以某型水下机器人舵翼为研究对象,将其表征量简化为展弦比、梢根比、前缘后掠角、攻角和剖面翼型5个设计参数。采用计算流体力学方法(CFD)模拟了流速为2 kn时,平板翼型厚度为6 mm的常见平面形状舵翼在不同来流下的流场情况,得到舵翼平面形状参数与其水动力性能和铰链力矩之间的变化规律和相对灵敏度,并对基于径向基函数模型(RBF)的优化结果进行分析,随后对比了不同剖面翼型对舵翼性能的影响。研究结果表明:攻角为6°左右时,舵翼可获得最佳水动力性能;剖面翼型对舵翼的水动力性能有较大影响,NACA00xx系列翼型可以显著提升舵翼的升阻比,并且翼型厚度越小,性能越佳;舵翼面积一定的条件下,后掠形舵翼具有优良的水动力性能,但铰链力矩较大;攻角较小时,梯形舵翼表现出较好的水动力性能,铰链力矩很小;攻角较大时,切尖三角形舵翼水动力性能与后掠舵翼基本持平,铰链力矩适中。     

Numerical investigation on the performance of Wells turbine with non-uniform tip clearance for wave energy conversion

The performance of a Wells turbine with various non-uniform tip clearances was investigated using computational fluid dynamics (CFD). The investigation was performed on numerical models of a NACA0020 blade profile under steady flow conditions. The performance of turbines with uniform and non-uniform tip clearances was compared. The results were also compared with experimental results in literature. It was shown that the performance of turbine with non-uniform tip clearance is similar with that of turbine with uniform one in terms of torque coefficient, input power coefficient, and efficiency. However, the turbine with non-uniform tip clearance seems to have a preferable overall performance. An investigation on the flow-field around the turbine blade was performed in order to explain the phenomena.     

Wake studies of a 1/30th scale horizontal axis marine current turbine

A 0.4 m diameter (1:30th scale) horizontal axis marine current turbine (MCT) was tested in a circulating water channel. The turbine performance and wake characteristics were determined over a range of flow speeds and rotor thrust coefficients. Measurements of the water surface elevation profiles indicated increasing variation and surface turbulence with increasing flow speeds. Blockage-type effects (where the measured point velocity was greater than the inflow velocity) occurred around the sides of the rotor for all flow speeds. Although the effects were exaggerated at model scale, it is expected that reasonable variations in water level and flow velocity could also occur over a full scale MCT array.     

不同布设间距下方型人工鱼礁体的水动力特性数值研究

为研究方型人工鱼礁体水动力特性受礁体布设间距变化的影响,通过物模实验实测了开口比为0.3的方形开口双礁体在布设间距为1.0L、2.0L时周围特征点的流速及礁体受力,并利用Fluent软件模拟了双礁体在布设间距为0.5L、1.0L、2.0L、4.0L时的水动力场,通过分析得到了礁体上升流特性参数、阻力系数随布设间距的变化情况。研究结果表明:数值模拟结果与实验结果吻合较好,本文数值模拟方法是可行的;模拟工况下,随着布设间距的增加,双礁体产生的上升流区体积逐渐减小,阻力系数逐渐增大,流场效应较好的布设间距为0.5L、1.0L、2.0L。研究结果可为礁区布局方案的确定提供参考。     

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。     

An Adaptive Single Neural Control for Variable Step-Size P&O MPPT of Marine Current Turbine System

Marine current energy has been increasingly used because of its predictable higher power potential. Owing to the external disturbances of various flow velocity and the high nonlinear effects on the marine current turbine (MCT) system, the nonlinear controllers which rely on precise mathematical models show poor performance under a high level of parameters’ uncertainties. This paper proposes an adaptive single neural control (ASNC) strategy for variable step-size perturb and observe (P&O) maximum power point tracking (MPPT) control. Firstly, to automatically update the neuron weights of SNC for the nonlinear systems, an adaptive mechanism is proposed to adaptively adjust the weighting and learning coefficients. Secondly, aiming to generate the exact reference speed for ASNC to extract the maximum power, a variable step-size law based on speed increment is designed to strike a balance between tracking speed and accuracy of P&O MPPT. The robust stability of the MCT control system is guaranteed by the Lyapunov theorem. Comparative simulation results show that this strategy has favorable adaptive performance under variable velocity conditions, and the MCT system operates at maximum power point steadily.

     

Numerical Study on the Vertical Water Exit of A Cylinder with Cavity

When a high-speed body with cavity passes through water-air free surface and exits water, its mechanical environment and dynamic characteristics change significantly due to the great difference in density and viscosity between water and air. With focusing on this problem, the Computational Fluid Dynamics (CFD) method is applied to perform numerical calculation on the process of this vapor-liquid-gas flow during the water exit of a high-speed cylinder, with the Volume of Fraction (VOF) multiphase flow interface-capturing techniques and the overset grid technology. After the verification and validation of the CFD model through mesh convergence study and a water-entry experiment, cavity evolution and flow characteristics including pressure and velocity distribution during the water exit are analyzed. The effects of different initial velocities on the pressure distribution and drag characteristics of the cylinder are investigated. Calculated results show that the cavity collapse during water exit causes strong pressure fluctuation on the cylinder; when the cylinder exits water enveloped in a supercavity, the pressure distribution on its wall surface and surrounding water region is relatively uniform, and the drag changes gently, and thus the cylinder has good motion stability.

     

海洋流线积分自适应步长计算模型研究

针对步长固定的传统流线数值积分中造成的计算不精确或无谓计算过多的问题,文献[15]提出了一种自适应步长的海洋流线构造算法,该算法中的自适应步长计算模型可综合考虑局部网格的流速和流向,具有双自由度调整的优点,但也存在着邻近网格流向改变过大造成的追踪不持续、网格内流速过缓造成的迭代死循环等问题,为此本文提出了一种新的自适应步长计算优化模型,优化后的模型在保持原模型优点的基础上,通过限定积分步长的下限取值范围,解决了流线追踪不连续及计算迭代死循环问题,同时通过调整参数μ及δ在模型中的控制范围,使积分步长的适用度更加宽泛,从而提高了算法的计算效率、减少了数据存储量,并避免了流线混叠及锯齿现象,通过大量试验及三维可视效果的对比分析,验证了算法的可行性和有效性。