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竖轴潮流水轮机空化对捕获功率的影响研究

作　者: 崔振磊
导　师: 康海贵
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 竖轴潮流水轮机空化捕获效率数值模拟
分类号: TV734.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近年来能源的过度消耗导致了严重的环境污染等问题,因此我国政府不断加大对可再生能源和清洁新能源的重视与投入。本文以胜利油田废弃的海洋平台为依托,利用竖轴潮流水轮机提取潮流能进行发电研究。竖轴潮流水轮机是潮流能发电装置中较为常见的发电装置。由于大批工程的上马,人们对竖轴水轮机各方面的性能提出了更高的要求。在这些要求中,效率和空化是两个非常重要的性能指标。这是因为效率关系到能量的利用率,而空化则关系到水轮机机组的使用寿命。事实上,这两个性能指标并非独立的,而是紧密联系的。从潮流水轮机的效率和空化性能这两个领域目前的研究成果来看,空化领域的研究较少,这时因为空化现象本身比较复杂和影响空化的因素较多,致使空化的研究较为困难。由于单个潮流水轮机功率的增大,其几何尺寸逐渐增大,所以空化问题亟待解决。本文使用计算流体软件Fluent对升力型竖轴直叶片水轮机的空化特性做了数值模拟,得到了空化流下水轮机的水动力性能,以及空化现象对捕获功率的影响,为潮流水轮机的结构设计和工程应用提供了参考和依据。首先,本文对竖轴潮流水轮机叶片进行了受力分析,提出采用捕获效率作为研究水轮机性能的重要指标,再应用Fluent对水轮机进行建模计算。为了提高数值模拟的计算精度,对模型边界的区域尺寸大小进行了详细的研究。并且对Fluent求解器做了详细的分析,经过多次反复数值模拟,找到了适合竖轴潮流水轮机运动的合适的求解器类型。其次,为了能够了解空化对水轮机性能所带来的影响,本文对竖轴水轮机分别在全湿流和空化流两种状态下进行了数值模拟。分析了在不同来流速度和尖速比下水轮机水动力性能的改变,并且随着方位角的改变给出了水轮机单个叶片和三个叶片的转矩及捕获效率曲线图。最后,在大连理工大学国家重点实验室的水槽内对水轮机模型进行了一系列的实验研究。一方面,分析了实验模型和数值模型的差异,重点分析了支臂对于水轮机性能的影响；另一方面,将全湿流和空化流下数值模拟结果和实验数据进行了对比分析,并对这两种结果误差的原因进行了分析和总结。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-14
  1.1 研究工作的背景和意义  9-10
  1.2 潮流水轮机的类型  10-11
  1.3 竖轴水轮机水动力性能研究进展  11-13
    1.3.1 流管法  11-12
    1.3.2 涡方法  12-13
    1.3.3 RANS模型  13
    1.3.4 实验模型  13
  1.4 本文研究工作  13-14
2 CFD基础理论和数值计算  14-30
  2.1 CFD概述  14-15
  2.2 计算流体动力学CFD的控制方程  15-16
  2.3 基本数值求解方法  16-21
    2.3.1 速度修正方程  17-18
    2.3.2 压力修正方程  18-19
    2.3.3 SIMPLE算法的计算过程  19-20
    2.3.4 SIMPLEC算法的计算过程  20-21
  2.4 湍流及湍流模型  21-27
    2.4.1 湍流的基本方程  21-22
    2.4.2 标准κ-ε两方程模型及其改进的RNGκ-ε模型  22-24
    2.4.3 壁面函数法  24-27
  2.5 空化流模型  27-29
    2.5.1 基本方程  27-28
    2.5.2 Ravleigh-plessent方程  28
    2.5.3 气泡输运方程  28-29
  2.6 本章小结  29-30
3 全湿流竖轴潮流水轮机的CFD模拟  30-45
  3.1 竖轴水轮机叶片运动及受力分析  30-32
  3.2 计算区域的定义、网格生成和边界条件  32-37
    3.2.1 计算区域的定义  32-34
    3.2.2 网格的生成  34-37
    3.2.3 边界条件定义  37
  3.3 区域尺寸研究  37-40
    3.3.1 区域宽度的影响  38-39
    3.3.2 上游尺寸的影响  39-40
    3.3.3 下游尺寸的影响  40
  3.4 求解器详述  40-44
  3.5 本章小结  44-45
4 空化流竖轴潮流水轮机的CFD模拟  45-53
  4.1 空化的基本概念  45-48
    4.1.1 空化现象  45
    4.1.2 空化数  45-47
    4.1.3 空蚀破坏类型及对性能的影响  47-48
  4.2 空化流求解器详述  48-50
  4.3 多相流模型  50-52
    4.3.1 欧拉—拉格朗日方法  50
    4.3.2 欧拉—欧拉方法  50-52
  4.4 小结  52-53
5 数值结果分析及后处理  53-80
  5.1 全湿流水轮机结果与分析  55-66
  5.2 空化流水轮机结果与分析  66-71
  5.3 数值模型的验证  71-78
    5.3.1 支臂的影响  72-73
    5.3.2 数值结果的验证  73-76
    5.3.3 误差产生的源泉  76-78
  5.4 本章小结  78-80
结论  80-82
参考文献  82-84
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  84-85
致谢  85-86

竖轴潮流水轮机空化对捕获功率的影响研究

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