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。     

基于实密度的卧式浪流轮机水槽实验研究分析

实密度是影响轮机获能特性的关键因素之一。文中以卧式轮机实密度为基变量,以其获能系数为主要考察点,对3种实密度卧式轮机进行水槽实验方案设计和水动力性能研究。实验分别对水流流速、轮机旋转角速度、主轴转矩以及功率进行测量,并对其对主轴的扭矩、轮机的获能系数以及叶片的旋转特性进行定量分析,最终证实了该卧式轮机的单一运行特性。通过绘制基于实密度的轮机转矩—转角曲线、获能系数—尖速比曲线和轮机功率—尖速比曲线,阐明了实密度影响卧式轮机获能水动力性能的规律,即其获能系数和发电功率都随着工况速比呈先增后降趋势。实密度较低轮机因浪流流失而获得能量小,但实密度过高轮机会导致叶片间湍流涌动,加速叶片失速特性而影响轮机获能。这为卧式浪流轮机结构优化提供了可靠依据和借鉴。     

海流自供电浮标双向轴流叶轮仿真分析

通过CFD计算软件Fluent对叶片进行水动力仿真分析,由叶片压力曲线分析影响翼型效率的主要因素,对比分析选出S翼型,并由此翼型设计了对称S翼型,进行UG建模并通过接口导入Fluent进行叶轮仿真分析,由N-S控制方程及压力云图确定叶片数量。建立Bladed模型,仿真得到不同叶片的叶轮在不同的流速下转矩的变化情况及不同桨距角尖速比与获能效率的关系曲线。最后在实验室有机玻璃导管测试系统得到对称S型叶轮在不同流速下的获能效率。实验结果表明,对称S翼型具有捕获双向来流的能力,在实验流速为2.2 m/s时最大获能效率可达40%。为海流自供电浮标进行了正确选型,提高了效率,所得数据也为之后海试试验提供了理论参考。     

海底边界效应对海流发电水轮机水动力性能影响研究

对30 W海流能水平轴水轮机进行叶片设计,应用FLUENT软件对水轮机的水动力性能进行数值模拟,研究了边界效应对叶片表面压力、流场、湍流强度、获能和轴向力的影响。受海底边界效应影响,海流速度沿深度呈现梯度变化,底层流速较小,中上层流速较大。边界效应导致水轮机的水动力性能呈现周期性变化,降低了水轮机的获能和轴向力。机组布置时,宜选择水流稳定且流速较大的中上层区域。     

潮流能水平轴水轮机叶片优化研究

叶片对潮流能水轮机的性能有很大的影响,因此对叶片进行优化研究对于提高潮流能水轮机的效率的重大意义。本文对50kW潮流能水平轴水轮机进行了叶片设计,针对水轮机具体的运行环境,以提高水轮机获能为目标,应用遗传算法对叶片弦长和扭角进行了优化设计。通过对比实际工况下水轮机的获能特性得知,优化的叶片获能系数和获能功率较原叶片有所提高,从而证明应用遗传算法进行叶片优化的可行性,为水轮机叶片优化提供了新的方法。     

双向直驱式潮流能发电轮机性能实验研究

针对潮流能双向来流的特点及当前潮流能发电轮机的研究现状和存在的问题,提出了一种新型的双向直驱式发电轮机。叶片基本翼型为S型,并对其进行受力分析,得到相应的计算公式,结合叶片翼型厚度和形状约束,求解出各个截面的形状,并三维建模形成一种新型"S"翼型轮机。轮机两端安装具有防水性能的永磁发电机,外侧增设双向导流罩,构成双向直驱式发电轮机装置模型。在水槽实验中,首先找出不同的模拟流速下获取功率的最佳负载阻值,在此基础上收集了转速及功率数据,绘制尖速比-获能系数关系曲线图和流速—获能系数关系曲线图,可以论证尖速比的取值对获取最佳功率的重要性,同时该翼型轮机具有良好的空载启动性能及双向吸收来流的能力,2 m/s流速下获能效率最大值接近40%。     

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。     

Research on the unsteady hydrodynamic characteristics of vertical axis tidal turbine

The unsteady hydrodynamic characteristics of vertical axis tidal turbine are investigated by numerical simulation based on viscous CFD method. The starting mechanism of the turbine is revealed through analyzing the interaction of its motion and dynamics during starting process. The operating hydrodynamic characteristics of the turbine in wave-current condition are also explored by combining with the linear wave theory. According to possible magnification of the cyclic loads in the maximum power tracking control of vertical axis turbine, a novel torque control strategy is put forward, which can improve the structural characteristics significantly without effecting energy efficiency.     

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%。     

水平轴潮流能发电装置结构对其水动力性能的影响

为研究水平轴潮流能发电装置结构对其水动力性能的影响,运用格子玻尔兹曼(LBM)方法,建立水平轴潮流能发电装置的数值模拟分析模型,对水轮机在不同尖速比工况下的水动力性能进行模拟。将模拟结果与同工况水池拖曳实验得到的数据相对比,二者捕获能系数误差在2%左右,验证了LBM方法的可行性和准确性。在此基础上利用LBM方法研究机舱和立柱结构对水轮机特性的影响,得到其对水轮机捕获效率的影响规律。     

Design and Test of 1/5th Scale Horizontal Axis Tidal Current Turbine

Tidal current energy is prominent and renewable. Great progress has been made in the exploitation technology of tidal current energy all over the world in recent years, and the large scale device has become the trend of tidal current turbine (TCT) for its economies. Instead of the similarity to the wind turbine, the tidal turbine has the characteristics of high hydrodynamic efficiency, big thrust, reliable sealing system, tight power transmission structure, etc. In this paper, a 1/5th scale horizontal axis tidal current turbine has been designed, manufactured and tested before the full scale device design. Firstly, the three-blade horizontal axis rotor was designed based on traditional blade element momentum theory and its hydrodynamic performance was predicted in numerical model. Then the power train system and stand-alone electrical control unit of tidal current turbine, whose performances were accessed through the bench test carried out in workshop, were designed and presented. Finally, offshore tests were carried out and the power performance of the rotor was obtained and compared with the published literatures, and the results showed that the power coefficient was satisfactory, which agrees with the theoretical predictions.     

Dynamic Response of Offshore Wind Turbine on 3×3 Barge Array Floating Platform under Extreme Sea Conditions

Offshore wind farm construction is nowadays state of the art in the wind power generation technology.However,deep water areas with huge amount of wind energy require innovative floating platforms to arrange and install wind turbines in order to harness wind energy and generate electricity.The conventional floating offshore wind turbine system is typically in the state of force imbalance due to the unique sway characteristics caused by the unfixed foundation and the high center of gravity of the platform.Therefore,a floating wind farm for 3×3 barge array platforms with shared mooring system is presented here to increase stability for floating platform.The NREL 5 MW wind turbine and ITI Energy barge reference model is taken as a basis for this work.Furthermore,the unsteady aerodynamic load solution model of the floating wind turbine is established considering the tip loss,hub loss and dynamic stall correction based on the blade element momentum(BEM)theory.The second development of AQWA is realized by FORTRAN programming language,and aerodynamic-hydrodynamic-Mooring coupled dynamics model is established to realize the algorithm solution of the model.Finally,the 6 degrees of freedom(DOF)dynamic response of single barge platform and barge array under extreme sea condition considering the coupling effect of wind and wave were observed and investigated in detail.The research results validate the feasibility of establishing barge array floating wind farm,and provide theoretical basis for further research on new floating wind farm.     

潮流发电水轮机基于动量定理的性能计算方法研究

以潮流发电水轮机的设计为研究背景,分析和总结了基于动量定理方法的四种流管模型(单盘面-单流管模型、双盘面-单流管模型、单盘面-多流管模型和双盘面-多流管模型)在竖轴变攻角水轮机的水动力性能计算中的应用,特别是能量利用率预报方面的应用。说明基于动量定理的模型在求竖轴变攻角潮流发电水轮机的水动力性能方面,能够预报一些定性特性和总体趋势,为水轮机的设计和计算提供一种初步方法。     

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。     

一种新型鲸鱼式潮流能发电装置的设计与试验研究

为了进一步提高潮流能的利用率,提出了一种新型鲸鱼式潮流能发电装置。借鉴风机叶片设计方法及水平轴水轮机的设计原理,利用结构力学、流体力学和CFD相关方法,对该装置的螺旋桨叶、导流筒和固定桩等部件进行了设计研究,从获能效果、装置可靠性和发电功率等方面进行了优化设计,并通过900 W样机试验验证了设计的有效性。试验结果显示,海流高潮期装置最大发电功率可达到980 W,一天内大约有4个缓潮期,此间发电功率明显下降,但持续时间不长,总体平均发电功率在800 W上下;同时潮流能轮机启动流速在0.41 m/s左右,有着良好的低速启动性能。