偏流作用下海流能转换器的技术研究

论文摘要

国际性的能源危机和持续环境恶化使各国纷纷加大对清洁能源的开发力度。海流能是海洋能中最易获得、最具灵活性的一种清洁可再生能源。利用海流能技术发电，不仅有利于改善能源结构，降低化石能源消耗带来的环境污染和气候变化问题，而且无需建造堤坝和水库，投资运行费用小。首先，本文在以大量的国内外文献查阅和调研的基础上，论述了海流能发电的前景及海流能发电装置的国内外研究进展，并指出海流能的应用存在着来流方向具有不确定性。目前，国内外对海流能发电装置的研究主要集中在涡轮机叶片翼型的几何参数对转速的影响，而针对如何纠正来流偏流和提高输入涡轮机的海流流速，国内外研究的比较少。同时当来流与叶片翼型的夹角达到一定角度时，就会出现失速现象，目前还没有可靠的理论预测其失速角，这样就使得在来流偏流的情况下，有可能出现失速现象，使输入涡轮机的动能减小，输出功率降低等现象，最后提出了本课题的研究意义和研究内容。其次，本文详细的介绍了浙江工业大学水力学实验室所设计的海流能转换器实验装置，其中包括钢制涡轮机单向叶片、尼龙PA12单双向叶片、增速管和文丘里管等。接着，对尼龙PA12涡轮机叶片在自由流和有压流情形下的转速与流速的关系以及涡轮机叶片的空化特性进行了实验研究，并对不同面积比、不同管长增速管和文丘里管在不同流速情形下对来流偏流的纠正作用进行了系统的实验研究与分析。最后，利用商用CFD模拟软件FLUENT对海流能转换器叶片翼型在来流攻角从-4o～20o情形下的水动力特性进行了相应的数值模拟计算，得到翼型周围流场的速度分布、压力分布、翼型的失速特性以及水动力特性与攻角α的关系，可供设计高效的海流能转换器叶片时参考。本文的研究成果可在海流能发电中广泛应用，为低速海流能的开发利用提供更广阔的前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 海洋能综述
• 1.2 海流能简介
• 1.3 海流能发电装置国内外研究现状
• 1.3.1 垂直轴式海流能发电装置国内外研究现状
• 1.3.2 水平轴式海流能发电装置国内外研究现状
• 1.4 海流能转换器的关键技术研究进展介绍
• 1.4.1 桨叶流体力学特性研究
• 1.4.2 安装与维修技术
• 1.4.3 自对流系统的研究进展
• 1.4.4 提高海流来流速度的研究
• 1.5 本课题的研究意义和主要研究内容
• 1.5.1 本课题的研究意义
• 1.5.2 本课题的主要研究内容
• 第二章 试验设备与量测技术
• 2.1 水洞系统
• 2.2 多功能水槽
• 2.3 PHOTRONAPX-RS 高速摄影机
• 2.4 SINOCERA-YE 6263 压力数据采集系统
• 2.5 SONTEKADV
• 2.6 UFLO2000P 超声波流量计
• 2.7 FLUENT 软件简介
• 第三章 海流能转换器试验模型的设计
• 3.1 叶片翼型的几何参数和水动力特性分析
• 3.1.1 叶片翼型的几何特性
• 3.1.2 翼型系列介绍
• 3.1.3 作用在运动叶片上的力
• 3.2 海流能转换器涡轮机叶片设计
• 3.2.1 单向叶片设计
• 3.2.2 双向叶片设计
• 3.3 增速管的设计
• 3.3.1 钢制叶片涡轮机增速管
• 3.3.2 尼龙 PA12 材质单向叶片涡轮机增速管
• 3.4 文丘里管的设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 涡轮机叶片性能测试
• 4.1 实验装置
• 4.2 实验结果分析
• 4.2.1 自由流情形涡轮机转速与流速的关系
• 4.2.2 有压流情形涡轮机转速与流速的关系
• 4.2.3 涡轮机转速与空化数的关系
• 4.3 本章小结
• 第五章 导流装置纠正偏流的试验结果分析
• 5.1 实验原理分析
• 5.1.1 连续性方程
• 5.1.2 贝茨极限
• 5.1.3 海流能的计算
• 5.2 增速管纠正钢制叶片涡轮机偏流的实验研究
• 5.2.1 实验数据
• 5.2.2 纠正偏流的实验结果分析
• 5.2.3 小结
• 5.3 增速管纠正尼龙 PA12 材质单向叶片涡轮机偏流的实验研究
• 5.3.1 变面积比增速管对偏流的纠正
• 5.3.2 不同管长增速管对偏流的纠正
• 5.3.3 小结
• 5.4 文丘里管纠正尼龙 PA12 材质双向叶片涡轮机偏流的实验研究
• 5.4.1 不同面积比文丘里管对偏流的纠正
• 5.4.2 不同管长文丘里管对偏流的纠正
• 5.4.3 小结
• 第六章 海流能转换器叶片翼型的失速和水动力特性的数值研究
• 6.1 数值计算方法
• 6.1.1 紊流模型
• 6.1.2 模型的建立与网格划分
• 6.1.3 边界条件和数值方法的设定
• 6.2 计算结果分析
• 6.2.1 速度等值线图和矢量图
• 6.2.2 翼型上下表面压力分析
• 6.2.3 失速分析
• 6.2.4 翼型的动力特性分析
• 6.3 动力特性的数值模拟与实验对比
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参与的科研项目
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间申请的国家专利