本文關(guān)鍵詞：基于鯊魚鰭的水平軸潮流能水輪機仿生葉片研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：葉片是水平軸潮流能水輪機的核心部件，其效率的高低對潮流能的利用率有著重要影響。目前，眾多研究者對潮流能水輪機葉片的性能優(yōu)化進行了積極探索，而鯊魚經(jīng)過漫長的自然進化成為海洋魚類中游速較快的杰出代表，其外形結(jié)構(gòu)和運動方式都非常適合水下生存，具有超凡的水中運動能力。生物學(xué)的研究表明，鯊魚的這種游動能力主要得益于其尾鰭和胸鰭的性能。本文擬將鯊魚鰭的優(yōu)異水動力性能應(yīng)用于水平軸潮流能水輪機葉片，以期從仿生學(xué)角度提高水輪機性能。 本文以成年的黑印真鯊為研究對象，利用逆向技術(shù)，通過三維光學(xué)掃描儀取得了鯊魚魚鰭的三維坐標，得到了鯊魚魚鰭的樣本點云數(shù)據(jù)和魚鰭生物特征，通過逆向軟件模塊對原始數(shù)據(jù)的處理，得到了魚鰭葉片曲面，建立起鯊魚鰭的三維數(shù)字模型，從而得到水平軸潮流能水輪機葉片的仿生模型。應(yīng)用計算流體力學(xué)CFD和WORKBENCH軟件對仿生葉片進行水動力性能分析，研究了仿生葉片的功率系數(shù)和流場特性，得到了不同工況下的葉片的轉(zhuǎn)矩和功率，得出了使仿生魚鰭葉片獲能系數(shù)最高的槳距角，從而確定了建立仿魚鰭水輪機模型所需要的唯一變量——葉片弦長跟葉輪旋轉(zhuǎn)平面之間的位置關(guān)系，建立起仿鯊魚胸鰭、尾鰭水輪機三維模型。 進而采用CFD方法模擬了兩種仿生葉輪的水動力性能，得到了仿生葉輪的性能參數(shù)跟流場分布�；诒究蒲袌F隊先前根據(jù)傳統(tǒng)葉素動量理論設(shè)計出的水輪機，與仿生水輪機進行水動力性能對比分析。數(shù)值模擬深層揭示仿生葉片在額定外部水流條件下的壓力跟速度分布。得到結(jié)論：仿魚鰭水輪機在低尖速比一定范圍內(nèi)獲能系數(shù)高于標準葉片，仿胸鰭葉輪在更多尖速比范圍內(nèi)優(yōu)于仿尾鰭葉輪，獲能更大；從扭矩系數(shù)角度分析，在同工況下，仿生水輪機扭矩系數(shù)低于標準水輪機，說明實際運行中需要更大的水流速啟動仿生水輪機。在低尖速比范圍內(nèi)，仿生水輪機在一定工況內(nèi)可以有效提高水輪機能量效率，增加發(fā)電量，但軸向力也相應(yīng)增加，壓力分布不穩(wěn)定。在實際工程應(yīng)用中要按照需求綜合平衡考慮。 根據(jù)以上成果，論文進行了仿生魚鰭葉輪的模型加工制作（根據(jù)第三章得出的葉輪最優(yōu)槳距角）、實驗測試的裝備、控制系統(tǒng)，，實驗方案和測試內(nèi)容。對仿生魚鰭葉輪進行了水動力性能測試，以標準葉片作為對比，從實驗角度對仿生葉片的性能進行了分析，實驗結(jié)果與數(shù)值仿真結(jié)果數(shù)據(jù)相吻合，趨勢具有一致性，數(shù)值仿真結(jié)果相對正確。這些研究測試方法和結(jié)論對仿生學(xué)應(yīng)用于潮流能水輪機的后續(xù)研究提供了參考價值。本文的研究為潮流能水輪機葉片的研究提供了新思路，對潮流能的開發(fā)和推廣應(yīng)用具有一定積極作用和指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】：鯊魚鰭 潮流能 水輪機 仿生葉片 逆向工程 模型試驗
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TK730.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-9
• 主要符號說明9-14
• 1 緒論14-22
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 水平軸水輪機發(fā)展現(xiàn)狀15-16
• 1.3 仿生技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用16-19
• 1.4 研究的目的及內(nèi)容19-22
• 1.4.1 研究目的19
• 1.4.2 研究內(nèi)容19-20
• 1.4.3 研究路線20-22
• 2 仿魚鰭葉片數(shù)字模型建立22-32
• 2.1 研究對象的確定22-23
• 2.1.1 魚鰭分類22-23
• 2.1.2 魚類游動模式23
• 2.1.3 研究對象——鯊魚的胸鰭尾鰭23
• 2.2 逆向工程技術(shù)23-25
• 2.2.1 逆向工程23-24
• 2.2.2 逆向軟件24-25
• 2.3 生物特征的提取25-27
• 2.3.1 提取設(shè)備25
• 2.3.2 樣本處理25-27
• 2.3.3 采集過程27
• 2.4 數(shù)據(jù)處理27-31
• 2.4.1 點云處理28-29
• 2.4.2 多邊形編輯29-31
• 2.4.3 數(shù)字模型31
• 2.5 本章小結(jié)31-32
• 3 仿魚鰭水輪機葉片設(shè)計與分析32-56
• 3.1 水輪機的特性系數(shù)32-33
• 3.2 設(shè)計參數(shù)確定33-35
• 3.3 仿魚鰭葉片分析目的35-37
• 3.4 仿魚鰭葉片分析方法37-39
• 3.4.1 CFD 方法介紹38
• 3.4.2 ANSYS WORKBENCH 方法介紹38-39
• 3.5 仿魚鰭葉片分析流程39-46
• 3.5.1 Gambit 建立計算域——旋轉(zhuǎn)域、流體域39-40
• 3.5.2 Workbench 劃分網(wǎng)格40-43
• 3.5.3 Fluent 進行水動力性能分析43-46
• 3.6 結(jié)果輸出與對比分析46-55
• 3.6.1 仿生葉片轉(zhuǎn)矩對比分析46-51
• 3.6.2 壓力分布對比分析51-54
• 3.6.3 不同槳距角下繞流特性比較54-55
• 3.7 本章小結(jié)55-56
• 4 仿魚鰭葉片水輪機水動力性能分析56-68
• 4.1 仿生水輪機模型的建立56
• 4.2 對比標準的選取56-59
• 4.2.1 標準水輪機的設(shè)計方法陳述56-57
• 4.2.2 標準水輪機性能57-59
• 4.3 仿生水輪機水動力性能研究59-62
• 4.3.1 分析流程59-61
• 4.3.2 結(jié)果輸出61-62
• 4.4 與標準葉輪對比分析62-64
• 4.4.1 獲能系數(shù) C_P 分析62-63
• 4.4.2 軸向力系數(shù) C_F 分析63
• 4.4.3 扭矩系數(shù) C_T 分析63-64
• 4.5 流動特性分析64-66
• 4.5.1 壓力分布64-66
• 4.5.2 速度分布66
• 4.6 本章小結(jié)66-68
• 5 仿生葉輪成型與模型試驗68-85
• 5.1 引言68
• 5.2 仿生葉輪模型加工68-75
• 5.2.1 葉輪模型的加工方法68-69
• 5.2.2 葉輪模型的快速成型加工69-75
• 5.2.2.1 仿生水輪機模型的優(yōu)化69-70
• 5.2.2.2 文件檢測與分層處理70-71
• 5.2.2.3 快速成型原材料71-72
• 5.2.2.4 快速成型操作過程72-75
• 5.3 水輪機傳動結(jié)構(gòu)和實驗裝備75-78
• 5.3.1 實驗裝備76-78
• 5.3.2 測量控制系統(tǒng)78
• 5.4 仿生水輪機模型試驗與分析78-79
• 5.4.1 測試目的與方法78-79
• 5.4.2 實驗內(nèi)容與步驟79
• 5.5 試驗結(jié)果分析79-84
• 5.5.1 自啟動性能79-80
• 5.5.2 水動力性能80-84
• 5.6 本章小結(jié)84-85
• 6 結(jié)論與展望85-87
• 6.1 論文主要研究工作85-86
• 6.2 創(chuàng)新點86
• 6.3 不足與展望86-87
• 參考文獻87-90
• 致謝90-91
• 個人簡歷91-92
• 發(fā)表學(xué)術(shù)論文92-93

【參考文獻】

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3 劉小民;湯虎;王星;席光;高德康;;蒼鷹翼尾緣結(jié)構(gòu)的單元仿生葉片降噪機理研究[J];西安交通大學(xué)學(xué)報;2012年01期

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 華欣;海鷗翅翼氣動性能研究及其在風(fēng)力機仿生葉片設(shè)計中的應(yīng)用[D];吉林大學(xué);2013年

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本文編號：350800