基于遗传算法的竖轴潮流能水轮机性能优化研究

论文摘要

能量转换装置的性能优化问题是当今人们利用潮流能发电和风力发电的一个重要问题。本文在总结和研究竖轴潮流能水轮机水动力性能计算的基础上,应用遗传算法,给出了改善和提高竖轴潮流能水轮机能量利用率的一种途径。本文提出了定速比下稳态偏角最优问题、一段速比范围内稳态偏角最优问题和已知叶片数和密实度情况下的最优弦长、直径问题并得到了计算结果。最后得到的结论对于竖轴H型风机也同样适用。首先,文中总结了竖轴潮流能水轮机水动力性能计算的基本公式,介绍了动量定理模型,推导了单盘面—多流管法(SDMT)。其次,以简单遗传算法为例,介绍了流行的遗传参数选择方式,对上述问题进行了试算,最后在小速比和中高速比下确定了两种遗传方式。最后,以竖轴直叶摆线式水轮机为母型进行优化,分析了优化后的能量率提高的原因。为工程设计该类水轮机奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 海洋能开发利用概述
• 1.2 国内外竖轴潮流能水轮机性能研究综述
• 1.2.1 基于动量定理的方法
• 1.2.2 基于漩涡理论的方法
• 1.3 竖轴潮流能水轮机性能优化研究综述
• 1.4 本文的工作内容
• 第2章 水轮机的水动力计算模型
• 2.1 转子的运动与受力分析
• 2.1.1 运动分析
• 2.1.2 叶片受力分析
• 2.1.3 无因次量的定义
• 2.2 诱导速度的求解
• 2.2.1 动量理论
• 2.2.2 流管法
• 2.2.3 单盘面多流管模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 遗传算法
• 3.1 遗传算法发展回顾
• 3.2 遗传算法与传统算法对比
• 3.3 简单遗传算法
• 3.3.1 生物进化理论和遗传学基本知识
• 3.3.2 简单遗传算法的遗传操作
• 3.4 本文中用到的遗传算子
• 3.4.1 选择算子
• 3.4.2 交叉算子
• 3.4.3 变异算子
• 3.4.4 最优保留策略
• 3.5 本章小结
• 第4章 竖轴潮流水轮机参数优化问题与求解
• 4.1 三个问题
• 4.1.1 定速比稳态偏角最优问题（问题Ⅰ）
• 4.1.2 一段速比范围内稳态偏角最优问题（问题Ⅱ）
• 4.1.3 密实度、叶片数已知，定速比弦长直径优化问题（问题Ⅲ）
• 4.2 遗传算法中参数的确定
• 4.2.1 种群规模
• 4.2.2 适应度函数
• 4.2.3 选择
• 4.2.4 交叉
• 4.2.5 变异
• 4.2.6 最优保留策略
• 4.4 优化模型的几点说明
• 4.5 本章小结
• 第5章 算例与优化结果分析
• 5.1 轮机尺寸
• 5.2 问题Ⅰ优化结果分析
• 5.2.1 定速比稳态最优偏角
• 5.2.2 回摆现象与偏角修正
• 5.2.3 优化前后若干指标对比
• 5.2.4 叶片数对问题Ⅰ的影响
• 5.3 问题Ⅱ优化结果分析
• 5.3.1 一段速比范围稳态最优偏角
• 5.3.2 优化前后若干指标对比
• 5.3.3 能量利用率提升的原因
• 5.3.4 叶片数对问题Ⅱ的影响
• 5.4 问题Ⅲ优化结果分析
• 5.5 影响水动力性能的因素说明
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢