一种新型漂浮式潮流能装置水动力研究

论文摘要

潮流能作为一种清洁无污染的海洋可再生能源,已成为国内外研究的热点。近年来关于潮流能装置的研究已经取得了诸多成果,但是,潮流能装置在风浪流恶劣海洋环境下面临的安装与维修难题却一直没有得到很好的解决。因此本文以一种新型漂浮式双转子潮流能装置为研究背景,采用理论分析、模型试验与数值模拟相结合的方法对该装置存在的难点问题进行研究。这为开发高效可靠的漂浮式潮流能装置提供了理论方法与设计技术,具有非常重要的理论与实际意义。针对漂浮式潮流装置在恶劣海洋环境下安装运输和维护检修存在的困难问题,设计出一种结构简单,安装和维护检修方便的漂浮式水平轴双转子潮流能装置;在Glauert涡流理论的基础上考虑诱导速度的影响从而优化得出一种工作速比较大,密实度与安装角度相对较小的性能优良的叶片形式;并针对三种典型工况下装置的稳性进行校核。在水轮机模型试验研究方面,建立了水平轴潮流能水轮机模型试验测试系统,并设计研制了水平轴水轮机水动力特性测试平台,给出了水轮机模型性能与载荷的测试方案与测试方法,进行了多种参数变化下1kW模型实验研究以及10kW原型样机实验室测试。根据实验结果,分析了水轮机的水动力特性及影响因素,对水平轴水轮机有了较为全面的认知。试验研究为水平轴水轮机水动力学设计提供了大量有价值的信息,两种不同尺度的水轮机实验结果对比为尺度效应分析提供了研究基础,同时测试数据也为数值模拟的准确性提供了验证依据。在水轮机CFD数值计算方面,首先开展了水平轴水轮机三维CFD数值模拟的精度与可信度研究,探讨网格尺度、湍流模型及求解方法等对计算结果的影响,并通过与试验结果对比验证了水平轴水轮机三维数值模拟方法的有效性。采用此方法计算了潮流流向对叶轮水动力特性的影响,分析了支撑结构与叶轮之间的干扰规律,研究了双转子叶轮之间的干扰特性。通过分析不同参数的影响规律,并结合CFD方法的优势,揭示了叶轮流场与压力分布等模型试验中难以测量的物理量与流动细节。在锚泊系统设计方面,提出了一种满足极浅水大载荷特性的非线弹性锚泊系统设计方法。系泊线中高弹性索的引入使得锚泊系统具有较强的非线弹性特征,考虑水流的影响,数值求解多成分组合系泊线悬链线方程;对纯悬链、悬链+浮筒、悬链+浮筒+弹性索及悬链+弹性索四种设计方案分别进行时域计算分析,对比分析弹性索在非线性锚泊系统设计中的优势。另外,通过改变锚点水深来研究水深对锚泊系统性能的影响。最后通过改变系泊线中弹性索长度来研究其对锚泊系统的影响规律,为非线弹性索在工程上的使用提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 潮流能特点与分布
• 1.2.1 潮流能特点
• 1.2.2 潮流能分布
• 1.3 研究进展
• 1.3.1 潮流能装置研究进展
• 1.3.2 水平轴水轮机水动力研究进展
• 1.3.3 漂浮式装置锚泊系统研究进展
• 1.4 问题的提出
• 1.5 工作内容
• 1.6 论文创新点
• 第2章 漂浮式潮流能装置总体研究
• 2.1 装置的型式
• 2.1.1 环境因素
• 2.1.2 结构形式
• 2.1.3 主尺度
• 2.2 载体的稳性
• 2.2.1 理论基础
• 2.2.2 稳性计算
• 2.3 本章小结
• 第3章 水平轴水轮机性能试验研究
• 3.1 试验目的
• 3.2 实验原理与测试方法
• 3.2.1 实验原理
• 3.2.2 测试方法
• 3.3 试验设备和装置
• 3.3.1 试验设备
• 3.3.2 试验装置
• 3.3.3 试验模型
• 3.4 试验内容及结果分析
• 3.4.1 来流速度的影响
• 3.4.2 来流方向的影响
• 3.4.3 载荷结果分析
• 3.5 样机实验测试
• 3.6 本章小结
• 第4章 水平轴水轮机水动力性能数值研究
• 4.1 水轮机基本原理
• 4.1.1 能量计算
• 4.1.2 流体特性
• 4.2 水轮机三维数值模拟方法
• 4.2.1 计算模型
• 4.2.2 网格划分
• 4.2.3 边界条件设置
• 4.2.4 湍流模型影响
• 4.2.5 求解器影响
• 4.3 水轮机三维数值模拟有效性
• 4.4 单转子水轮机水动力干扰研究
• 4.4.1 流向对叶轮水动力特性的影响
• 4.4.2 支撑结构与叶轮相互干扰特性分析
• 4.5 双转子水轮机特性分析
• 4.5.1 初始相位分析
• 4.5.2 效率分析
• 4.5.3 受力分析
• 4.5.4 流场速度分布
• 4.6 本章小结
• 第5章 浮式载体水动力性能数值研究
• 5.1 理论基础
• 5.1.1 线性运动微分方程
• 5.1.2 规则波中定解条件
• 5.1.3 附加质量
• 5.1.4 一阶水动力
• 5.1.5 二阶水动力
• 5.2 计算模型
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 一阶波浪力
• 5.3.2 二阶定常力
• 5.3.3 一阶运动响应
• 5.4 本章小结
• 第6章 弹性锚泊系统设计方法研究
• 6.1 锚泊系统的系泊方式
• 6.1.1 悬链线系泊方式
• 6.1.2 张紧式系泊方式
• 6.1.3 弹性索系泊方式
• 6.2 悬链线静力求解方法
• 6.2.1 基本方程
• 6.2.2 不考虑水流作用与系泊线弹性
• 6.2.3 考虑水流作用与系泊线弹性
• 6.2.4 系泊线有限元模型及方程的求解
• 6.3 锚泊系统设计
• 6.3.1 环境参数
• 6.3.2 设计准则
• 6.3.3 系统设计
• 6.3.4 水深对锚泊系统的影响
• 6.3.5 不同弹性索长度的影响
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 致谢