【摘要】：隨著海洋資源的利用和開發(fā),潮流能成為繼太陽能、風(fēng)能之后的又一新型清潔能源。目前,由于成本、可靠性、能量轉(zhuǎn)換效率等因素的制約,全球潮流能的研究大多處于實(shí)驗(yàn)階段,其中潮流能發(fā)電成本居高不下是阻礙其商業(yè)化的最大原因,所以對(duì)于每一種潮流能發(fā)電裝置,能否提高其能量捕獲機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)換效率,使其達(dá)到最佳減速比,降低發(fā)電成本,成為其是否具有發(fā)展?jié)摿Φ年P(guān)鍵。本文從機(jī)組模塊化的理念出發(fā),深入分析潮流能—電能轉(zhuǎn)換機(jī)理,開發(fā)了基于帶輪-葉片傳動(dòng)原理的新型海洋能發(fā)電裝置。通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)有限元模擬技術(shù),建立葉片角度與能量收集效率之間的關(guān)系模型、入射箱體斜度與有效流速之間的關(guān)系模型,在三維場(chǎng)內(nèi)對(duì)其進(jìn)行流場(chǎng)模擬,研究流場(chǎng)內(nèi)發(fā)生的物理現(xiàn)象及運(yùn)動(dòng)規(guī)律,綜合分析其迭代曲線、壓力分布、速度大小及其水流軌跡情況。并通過改變能量捕獲機(jī)構(gòu)葉片的角度和入射箱體的斜度,研究其最優(yōu)參數(shù)范圍,為裝置的設(shè)計(jì)和制造提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。論文首先對(duì)基于帶輪—活動(dòng)葉片式的新型低潮流能裝置進(jìn)行模型建立和理論研究。通過運(yùn)用UG NX8.5三維建模技術(shù)對(duì)模型的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析,并對(duì)葉片擺角與潮流能收集效率關(guān)系模型和箱體結(jié)構(gòu)入射角度與潮流增速關(guān)系模型進(jìn)行研究,提出潮流能~電能轉(zhuǎn)換理論。然后研究計(jì)算流體力學(xué)CFD的理論基礎(chǔ)和ANSYS FLUENT有限元模擬技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。通過分析流體流動(dòng)的基本條件和計(jì)算流體力學(xué)區(qū)域離散化理念,對(duì)流體類型進(jìn)行確定。并對(duì)ANSYS FLUENT有限元模擬技術(shù)的基本控制方程、湍流模型、邊界條件等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究,提出運(yùn)用基于RNG k~ε湍流模型的流場(chǎng)對(duì)潮流能裝置進(jìn)行有限元模擬計(jì)算。接下來運(yùn)用ANSYS ICEM CFD網(wǎng)格劃分軟件和ANSYS Fluent有限元分析軟件對(duì)低潮流裝置的能捕機(jī)構(gòu)葉片模型和入射箱體模型進(jìn)行深入研究。通過ANSYS Fluent有限元分析軟件模擬流場(chǎng)環(huán)境,得出能捕機(jī)構(gòu)葉片和入射箱體的迭代曲線圖、壓力云圖、水流速度矢量圖和水流軌跡圖,繼而對(duì)能捕機(jī)構(gòu)葉片的受力狀態(tài)和入射箱體上水流速度的分布情況進(jìn)行綜合分析。之后,對(duì)裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究。分別對(duì)能捕機(jī)構(gòu)葉片在5°、15°、25°、35°、45°時(shí)的關(guān)系模型和入射箱體在10°、20°、30°、40°和50°時(shí)的關(guān)系模型進(jìn)行流場(chǎng)模擬,得出葉片壓力分布隨葉片角度的變化規(guī)律,流體速度分布隨箱體角度的變化規(guī)律,進(jìn)而分析出葉片擺角和箱體入射角度的最優(yōu)參數(shù)范圍。最后,對(duì)新型低潮流發(fā)電裝置進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。通過分別對(duì)裝置的關(guān)鍵部件和整機(jī)裝置進(jìn)行模擬和實(shí)物測(cè)試,建立能量轉(zhuǎn)化效率數(shù)學(xué)模型,分析各參數(shù)與能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系,進(jìn)而得出其最優(yōu)參數(shù),為低潮流海洋能高效回收與利用裝置的設(shè)計(jì)提供了一定的借鑒和參考。
【圖文】：

充分開發(fā)潮流能資源，不僅是未來新能源的發(fā)展趨勢(shì)，也是國(guó)源戰(zhàn)略的重要一環(huán)[19-22]。海洋能裝備主要應(yīng)用于發(fā)電，對(duì)于潮流能發(fā)電裝置影響其商業(yè)化道路的主運(yùn)行成本居高不下，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，其成本高于火力發(fā)電 5～10 倍左右影響其成本最重要的因素是潮流能裝置能量捕獲機(jī)構(gòu)效率的高低，能捕機(jī)構(gòu)計(jì)制造是決定一臺(tái)潮流能設(shè)備優(yōu)劣的關(guān)鍵。本論文就是結(jié)合目前我國(guó)海域情況計(jì)一種轉(zhuǎn)換效率高、發(fā)電功率大、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、易于安裝回收的低潮流高收與利用裝置。并運(yùn)用有限元的分析思想，對(duì)其的能捕機(jī)構(gòu)葉片和入射箱體進(jìn)行深入的研究，通過計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行建模、仿真和計(jì)算，并綜算結(jié)果進(jìn)行多次計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，分析出其最優(yōu)參數(shù)范圍，為設(shè)備的設(shè)計(jì)和提供依據(jù)和參考[23-27]。1.2 潮流能裝置能量轉(zhuǎn)換流程

圖 1.2 水平軸水輪機(jī)水平導(dǎo)流罩式水輪機(jī)，，如圖 1-3 所示，結(jié)構(gòu)上在水輪機(jī)葉輪外部增加了一個(gè)近似圓柱形的導(dǎo)流罩，是水平軸水輪機(jī)的改進(jìn)型，新加坡公司的 AS 系列水輪機(jī)和愛爾蘭 OpenHydro 公司的 Open Centre 就是導(dǎo)流罩水輪機(jī)的代表。導(dǎo)流罩最主要作用為聚能和導(dǎo)流，通過其聚集能量，使能捕葉片的能量轉(zhuǎn)換效率明顯提高，同時(shí)也使得水輪機(jī)葉輪工作環(huán)境得到一定的改善，葉片折損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步降低。但是，高效的導(dǎo)流罩一般外形復(fù)雜，體積較大，設(shè)計(jì)和制造成本高，對(duì)材料的綜合性能要求也高，使海下安裝工作量和回收成本大大增加[37,38]。
【學(xué)位授予單位】：青島理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM612;P743

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2663684