本文關(guān)鍵詞：基于CFD的水平軸海流能水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)及水動力學(xué)特性研究

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【摘要】：海流能作為一種清潔可再生能源,對解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。本論文以海流能利用中一種重要的動力轉(zhuǎn)換裝置——水平軸海流能水輪機(jī)為研究對象,開展了葉片優(yōu)化設(shè)計(jì)、水動力學(xué)特性分析以及流場數(shù)值模擬等一系列研究工作。各章節(jié)的主要內(nèi)容如下：第一章首先交代了本論文的課題來源和研究的背景、意義,接著對海洋能的種類、特點(diǎn)等作了基本介紹,對海流能主要的分布情況進(jìn)行了敘述,分別從國內(nèi)外兩個角度,對海流能的研究利用現(xiàn)狀展開了討論。然后針對海流能水輪機(jī)葉片的基本理論及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述。并對海流能水輪機(jī)葉片的水動力學(xué)特性研究進(jìn)展情況進(jìn)行了闡述,就目前國內(nèi)外主要的科研和試驗(yàn)成果進(jìn)行了歸納總結(jié)。最后,介紹了本文每一章的主要內(nèi)容。第二章首先介紹了計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)中用于數(shù)值求解的基本控制方程,包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及湍流模型。其次,介紹了數(shù)值計(jì)算在時空上的離散方法。最后,介紹了速度-壓力耦合求解的方法。第三章首先介紹了關(guān)于翼型的基本知識和幾何參數(shù),利用CFD方法找到了翼型的最佳攻角。其次,利用MATLAB對Wilson設(shè)計(jì)法進(jìn)行編程優(yōu)化計(jì)算,得到了各個截面翼型的參數(shù)。最后利用空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式,得到各個截面翼型的空間點(diǎn)坐標(biāo),進(jìn)而獲得葉片的三維實(shí)體模型。第四章針對定常情況下的三維葉片進(jìn)行了水動力學(xué)特性分析和流場分布特性分析。分別研究了設(shè)計(jì)工況下、非設(shè)計(jì)工況下和變槳距角工況下葉片的功率系數(shù)、扭矩系數(shù)和軸向力系數(shù)等隨著葉尖速比和槳距角變化的規(guī)律以及流場分布特性。第五章針對非定常情況下的三維葉片進(jìn)行了水動力學(xué)特性分析和流場、湍流量演化特性分析。分別對葉片的功率系數(shù)、扭矩系數(shù)、軸向力系數(shù)、側(cè)向受力系數(shù)以及葉片迎流面、葉片背流面和不同截面的靜壓強(qiáng)、動壓強(qiáng)、渦量、湍動能、湍流粘性比的統(tǒng)計(jì)特征值進(jìn)行了對比分析,同時展示了一些水動力學(xué)特性參數(shù)和流場變量的時空演化特征。第六章對整篇論文的研究工作進(jìn)行了總結(jié)和歸納,并提出了對未來研究工作的展望。
【關(guān)鍵詞】：水平軸海流能水輪機(jī) 計(jì)算流體動力學(xué) 葉片設(shè)計(jì) 水動力學(xué)特性 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK730.3
【目錄】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-32
• 1.1 課題來源及研究意義13
• 1.1.1 課題來源13
• 1.1.2 研究意義13
• 1.2 海流能概述13-19
• 1.2.1 海流能簡介13-15
• 1.2.2 海流能的分布情況15-17
• 1.2.3 海流能發(fā)電簡介17-19
• 1.3 海流能研究利用現(xiàn)狀19-23
• 1.3.1 國外海流能研究利用現(xiàn)狀19-22
• 1.3.2 國內(nèi)海流能研究利用現(xiàn)狀22-23
• 1.4 海流能水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)基本理論23-29
• 1.4.1 貝茨理論23-25
• 1.4.2 渦流理論25-26
• 1.4.3 葉素理論26-27
• 1.4.4 動量理論27-28
• 1.4.5 葉素-動量理論28-29
• 1.4.6 Wilson設(shè)計(jì)法29
• 1.5 海流能水輪機(jī)水動力學(xué)特性研究進(jìn)展29-30
• 1.6 論文研究的主要內(nèi)容30-31
• 1.7 本章小結(jié)31-32
• 第二章 控制方程及數(shù)值計(jì)算方法32-44
• 2.1 控制方程32-35
• 2.1.1 質(zhì)量守恒方程32
• 2.1.2 動量守恒方程32
• 2.1.3 湍流模型32-35
• 2.2 數(shù)值時空離散方法35-40
• 2.2.1 流體控制方程的有限體積離散36-40
• 2.2.2 流體控制方程的時間離散40
• 2.3 速度-壓力耦合方程求解方法40-43
• 2.3.1 流場數(shù)值計(jì)算的主要方法40-42
• 2.3.2 離散代數(shù)方程組的基本解法42
• 2.3.3 動靜干涉區(qū)域中流動問題的數(shù)值模擬42-43
• 2.4 本章小結(jié)43-44
• 第三章 海流能水輪機(jī)三維葉片設(shè)計(jì)44-66
• 3.1 翼型的基本參數(shù)44-47
• 3.1.1 翼型的幾何參數(shù)44
• 3.1.2 NACA翼型簡介44-45
• 3.1.3 翼型的動力學(xué)特性45-46
• 3.1.4 影響翼型動力學(xué)特性的因素46-47
• 3.2 基于CFD的翼型最佳攻角設(shè)計(jì)47-58
• 3.2.1 翼型的選擇47-49
• 3.2.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分49-51
• 3.2.3 邊界條件的設(shè)置51-52
• 3.2.4 求解控制參數(shù)的設(shè)定52-53
• 3.2.5 升阻系數(shù)及升阻比分析53-55
• 3.2.6 壓力分布55
• 3.2.7 流線分離55-58
• 3.3 三維葉片設(shè)計(jì)流程及基本參數(shù)的確定58-60
• 3.3.1 三維葉片設(shè)計(jì)流程58-59
• 3.3.2 基本參數(shù)59-60
• 3.4 三維葉片參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算及修正60-63
• 3.4.1 Wilson設(shè)計(jì)法步驟60
• 3.4.2 MATLAB求解計(jì)算60-61
• 3.4.3 弦長和扭角的修正61-63
• 3.5 三維葉片的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換63
• 3.6 葉片的實(shí)體模型63-65
• 3.7 本章小結(jié)65-66
• 第四章 海流能水輪機(jī)水動力學(xué)特性研究66-84
• 4.1 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置66-69
• 4.1.1 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分66-67
• 4.1.2 邊界條件的設(shè)置67-69
• 4.2 設(shè)計(jì)工況下水動力學(xué)特性分析及流場分布特性分析69-74
• 4.2.1 水動力學(xué)特性分析69-70
• 4.2.2 壓強(qiáng)分布70-72
• 4.2.3 X方向速度分布72
• 4.2.4 速度矢量分布72-73
• 4.2.5 湍動能分布73-74
• 4.3 非設(shè)計(jì)工況下的水動力學(xué)特性分析及流場分布特性分析74-81
• 4.3.1 水動力學(xué)特性分析74-77
• 4.3.2 壓強(qiáng)分布77-79
• 4.3.3 湍動能分布79
• 4.3.4 流線圖79-81
• 4.4 變槳距角下的水動力學(xué)特性分析及流場分布特性分析81-83
• 4.5 本章小結(jié)83-84
• 第五章 海流能水輪機(jī)三維非定常數(shù)值模擬84-97
• 5.1 計(jì)算參數(shù)的設(shè)置84
• 5.2 水動力學(xué)特性分析84-89
• 5.2.1 統(tǒng)計(jì)特征值84-85
• 5.2.2 功率系數(shù)85
• 5.2.3 扭矩系數(shù)85-86
• 5.2.4 軸向力系數(shù)86-88
• 5.2.5 側(cè)向受力系數(shù)88-89
• 5.3 流場演化特性分析89-93
• 5.3.1 統(tǒng)計(jì)特征值89-91
• 5.3.2 靜壓強(qiáng)91-92
• 5.3.3 動壓強(qiáng)92
• 5.3.4 渦量92-93
• 5.4 湍流量演化特性分析93-96
• 5.4.1 統(tǒng)計(jì)特征值93-94
• 5.4.2 湍動能94
• 5.4.3 湍流粘性比94-96
• 5.5 本章小結(jié)96-97
• 第六章 總結(jié)與展望97-99
• 6.1 論文總結(jié)97-98
• 6.2 工作展望98-99
• 參考文獻(xiàn)99-105
• 致謝105-106
• 作者簡歷及攻讀碩士學(xué)位期間的主要科研成果106

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