本文選題：水平軸水輪機葉片 + 復合材料��； 參考：《哈爾濱工程大學》2014年碩士論文

【摘要】：隨著新型清潔能源技術(shù)的不斷創(chuàng)新與發(fā)展,潮流能的研究發(fā)展成為了各國新能源發(fā)展的一個新熱點。水平軸水輪機是潮流能轉(zhuǎn)換裝置應用較為廣泛的一種,如何提高水平軸水輪機葉片的性能是成為了潮流能開發(fā)研究的重點問題。復合材料由于其比強度高、比模量高、抗疲勞性能好、易成形、可設計性強等優(yōu)點在風力機葉片和海洋工程結(jié)構(gòu)中廣泛應用,是水輪機葉片材料的新發(fā)展方向。論文主要內(nèi)容有這幾方面:(1)本文以水平軸水輪機葉片為研究對象,首先從水平軸水輪機的研究概況,接著介紹了近年來流固耦合的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、方法及成果,提出了本文的研究方法、研究思路以及研究內(nèi)容。(2)本文簡要介紹水輪機葉片的主要參數(shù),探討水輪機葉片的受力與運動特性,給出了影響水輪機性能的無量綱參數(shù),探討了水平軸水輪機葉片的葉素動量理論、渦理論和CFD三種研究方法,分別分析了這三種研究方法的優(yōu)缺點。(3)本文基于CFD數(shù)值計算和有限元連續(xù)梁理論,利用CFX+ANSYS Mechanical建立了水平軸水輪機葉片單向流固耦合的方法,分別針對穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況的數(shù)值模擬結(jié)果進行比較分析;另外一方面還將單向流固耦合的計算結(jié)果與基于葉素動量理論的計算結(jié)果做出對比,驗證了該方法的可靠性、準確性。(4)本文將基于復合材料彎扭耦合理論設計了水平軸水輪機彎扭耦合葉片,并基于拉格朗日非線性規(guī)劃理論對葉片的鋪層厚度進行了優(yōu)化設計,在保證葉片結(jié)構(gòu)安全的前提下,將葉片的總量減輕了 6%,碳纖維布的使用面積減少近了 25%。另一方面利用單向流固耦合的方法,對優(yōu)化后的彎扭耦合葉片的結(jié)構(gòu)性能、彎扭耦合性能以及振動特性進行分析,有限元分析結(jié)果證明了葉片的結(jié)構(gòu)強度滿足強度要求,指出了葉片結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域。(5)本文提出研究水平軸水輪機葉片雙向流固耦合的方法,該方法是基于CFD數(shù)值理論和有限元理論。該方法是通過輸出葉片單元的節(jié)點信息的變化和更新流體計算域?qū)崿F(xiàn)的。并利用該方法驗證本文所設計的水平軸水輪機彎扭耦合葉片的水動力性能的提高,結(jié)果表明彎扭耦合葉片變形之后的最大能量利用率增加了 8%。
[Abstract]:With the continuous innovation and development of new clean energy technology, the research and development of tidal energy has become a new hot spot in the development of new energy. Horizontal shaft turbine is one of the widely used power flow energy conversion devices. How to improve the performance of horizontal shaft turbine blade has become a key issue in the research of power flow energy development. Due to its high specific strength, high specific modulus, good fatigue resistance, easy forming and strong designability, composite materials are widely used in wind turbine blades and offshore engineering structures. It is a new development direction of turbine blade materials. The main contents of this paper are as follows: (1) in this paper, the blade of horizontal shaft turbine is taken as the research object. Firstly, the research situation of horizontal shaft turbine is introduced, and then the research status, methods and achievements of fluid-solid coupling in recent years at home and abroad are introduced. This paper briefly introduces the main parameters of turbine blades, discusses the force and motion characteristics of turbine blades, and gives dimensionless parameters that affect the performance of hydraulic turbines. In this paper, the blade element momentum theory, vortex theory and CFD research methods of horizontal shaft turbine blades are discussed. The advantages and disadvantages of these three research methods are analyzed respectively. This paper is based on CFD numerical calculation and finite element continuous beam theory. The unidirectional fluid-solid coupling method of horizontal shaft turbine blade is established by using CFX ANSYS Mechanical. The numerical simulation results of steady and transient conditions are compared and analyzed respectively. On the other hand, the calculation results of unidirectional fluid-solid coupling are compared with those based on the blade element momentum theory, and the reliability of the method is verified. Veracity. 4) based on the theory of bending and torsional coupling of composite materials, the coupled blade of horizontal shaft hydraulic turbine is designed, and the layer thickness of blade is optimized based on Lagrange nonlinear programming theory. On the premise of ensuring the safety of blade structure, the total amount of blade is reduced by 6%, and the use area of carbon fiber cloth is reduced by nearly 25%. On the other hand, unidirectional fluid-solid coupling method is used to analyze the structural performance, bending and torsional coupling performance and vibration characteristics of the optimized bending-torsional coupling blade. The finite element analysis results show that the structural strength of the blade meets the strength requirements. This paper presents a method to study the two-way fluid-solid coupling of horizontal shaft turbine blades. The method is based on CFD numerical theory and finite element theory. The method is realized by changing the node information of the blade unit and updating the fluid computing domain. The proposed method is used to verify the improvement of the hydrodynamic performance of the bending-torsional coupling blade designed in this paper. The results show that the maximum energy utilization ratio of the bending-torsional coupled blade increases by 8% after deformation.
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TK730.3

【參考文獻】

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本文編號：1960749