本文關(guān)鍵詞：水平軸潮流能水輪機葉片設(shè)計及其水動力性能研究

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【摘要】：自上世紀(jì)以來,伴隨著煤炭、石油、天然氣等傳統(tǒng)能源的不斷枯竭和人們對環(huán)保要求的不斷提高,世界各國對新能源的開發(fā)和利用越來越重視。潮流能是一種清潔、無污染并且蘊藏豐富的可再生新能源,對其合理的開發(fā)和利用能有效的緩解能源危機,在近年來越來越受到人類的的關(guān)注和重視。潮流能獲取裝置——水輪機,是潮流能發(fā)電站的關(guān)鍵部分,影響著整個發(fā)電系統(tǒng)的性能。水輪機葉片受到升力作用驅(qū)動而旋轉(zhuǎn),進(jìn)而帶動發(fā)電機發(fā)電,是潮流能發(fā)電裝置中最基礎(chǔ)、最為關(guān)鍵的部件。作為直接承受水動力的裝置,潮流能水輪機葉片的水動力性能直接關(guān)系到其能量捕獲效率,因此如何設(shè)計出合理、高效的葉片外形結(jié)構(gòu)是潮流能水輪機設(shè)計的首要目標(biāo)。鑒于水輪機葉片是水輪機獲取潮流能的關(guān)鍵部件,以提高潮流能水輪機能量捕獲效率為目標(biāo),本文研究了葉片外形裝置對潮流能水輪機捕能效率性能的影響。以功率為50W的水輪機葉片為基本模型,本文采用翼刀和翼尖小翼裝置改善水輪機葉片葉片水動力性能,并運用葉素-動量理論和流體計算力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法研究新型葉片對水輪機水動力效率性能的影響。本文首先就世界能源形勢,闡述潮流能研究的背景及意義以及發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀,了解國內(nèi)外潮流水輪機研究進(jìn)展情況,借鑒成功經(jīng)驗,總結(jié)研究中存在的問題以及未解決的技術(shù)難題,明確研究重點方向;其次介紹經(jīng)典葉素-動量理論,分析潮流能水輪機工作原理,探討水輪機葉片設(shè)計及其性能分析方法,給出葉片設(shè)計詳細(xì)步驟;再次對潮流能水輪機葉片翼型及影響其動力特性的因素進(jìn)行介紹和研究,并運用CFD技術(shù)對翼型相關(guān)性能進(jìn)行數(shù)值模擬計算,得到NACA63-4xx翼型系列升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升阻比特性及翼型周圍流場分布,為葉片截面翼型選擇提供參考依據(jù);然后依據(jù)水輪機葉片設(shè)計原理,采用Matlab軟件計算葉片的幾何參數(shù),并對參數(shù)進(jìn)行修正,根據(jù)所得參數(shù),以氣動中心為基準(zhǔn),運用CATIA三維造型軟件建立水輪機葉片基本模型并運用CFD方法模擬仿真其水動力性能,并與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗證葉片設(shè)計方法的有效性;最后采用翼刀和翼尖小翼裝置對潮流能水輪機葉片外形進(jìn)行設(shè)計并運用理論分析和CFD數(shù)值模擬方法研究新型葉片對水輪機水動力效率性能的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明翼刀和翼尖小翼能夠改善潮流能水輪機的水動力性能。相比翼刀技術(shù),翼尖小翼裝置對水輪機水動力效率性能影響更大,不僅更快的減弱了渦流對水輪機尾部速度的影響,提高單位水域面積的水輪機獲能性能,表明運用翼尖小翼裝置來改善水輪機水動力效率性能的方法是更可取的。
【關(guān)鍵詞】：潮流能 水輪機 計算流體力學(xué) 葉片 翼刀 翼尖小翼
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK730
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-22
• 1.1 潮流能研究的背景及意義10-14
• 1.2 國內(nèi)外潮流能發(fā)電研究現(xiàn)狀14-15
• 1.3 潮流能利用技術(shù)研究15-19
• 1.3.1 水輪機分類15-17
• 1.3.2 水輪機葉片研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3.3 水輪機水動力研究現(xiàn)狀18-19
• 1.4 課題來源和主要要研究內(nèi)容及創(chuàng)新點19-22
• 1.4.1 課題來源19-20
• 1.4.2 研究內(nèi)容及創(chuàng)新點20-22
• 第2章 水平軸潮流能水輪機葉片設(shè)計理論基礎(chǔ)22-29
• 2.1 動量理論22-25
• 2.2 葉素理論25-26
• 2.3 葉片設(shè)計的數(shù)學(xué)模型26-28
• 2.3.1 葉素 -動量理論26-27
• 2.3.2 基于葉素-動量理論的水輪機葉片設(shè)計數(shù)學(xué)模型27-28
• 2.4 本章小結(jié)28-29
• 第3章 水輪機葉片翼型動力特性研究29-43
• 3.1 水輪機葉片翼型的基礎(chǔ)理論29-33
• 3.1.1 葉片翼型的幾何參數(shù)29-30
• 3.1.2 葉片翼型族的介紹30-31
• 3.1.3 葉片翼型的動力特性31-32
• 3.1.4 影響葉片翼型動力性能的因素32-33
• 3.2 運用CFD軟件對水輪機葉片翼型動力性能進(jìn)行研究33-39
• 3.2.1 CFD方法介紹33-34
• 3.2.2 CFD計算數(shù)學(xué)模型34-37
• 3.2.3 數(shù)值模擬前處理37-39
• 3.3 仿真模擬結(jié)果及分析39-41
• 3.4 本章小結(jié)41-43
• 第4章 水平軸潮流能水輪機葉片設(shè)計及其性能研究43-57
• 4.1 水輪機葉片的設(shè)計43-47
• 4.1.1 葉片計算模型及其約束條件43
• 4.1.2 水輪機葉片設(shè)計步驟43-44
• 4.1.3 水輪機葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計44-47
• 4.2 水輪機葉片截面坐標(biāo)變換47-48
• 4.2.1 坐標(biāo)變換的原理47-48
• 4.2.2 坐標(biāo)變換過程48
• 4.3 水輪機葉片三維模型的建立48-50
• 4.4 水輪機葉片水動力性能理論分析50-52
• 4.5 基于CFD方法對水輪機能進(jìn)行數(shù)值模擬分析52-56
• 4.5.1 基本模型前處理52-54
• 4.5.2 仿真模擬結(jié)果及分析54-56
• 4.6 本章小結(jié)56-57
• 第5章 水平軸潮流能水輪機葉片設(shè)計改進(jìn)方法研究57-67
• 5.1 引言57
• 5.2 翼刀技術(shù)應(yīng)用于潮流能水輪機葉片設(shè)計57-59
• 5.2.1 翼刀裝置的概念及其作用57-58
• 5.2.2 潮流能水輪機葉片改進(jìn)方案一58-59
• 5.3 翼尖小翼技術(shù)應(yīng)用于潮流能水輪機葉片設(shè)計59-62
• 5.3.1 翼尖小翼技術(shù)的概念及其工作原理59-60
• 5.3.2 潮流能水輪機葉片改進(jìn)方案二60-62
• 5.4 水輪機葉片改進(jìn)方案水動力性能研究62-65
• 5.4.1 葉片表面壓力數(shù)據(jù)對比分析62-63
• 5.4.2 速度流場數(shù)據(jù)對比分析63-65
• 5.4.3 捕能系數(shù)Cp數(shù)據(jù)對比分析65
• 5.5 本章小結(jié)65-67
• 總結(jié)與展望67-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 致謝76-78
• 附錄A 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文78

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本文編號：585718