【摘要】：改革開(kāi)放以后,我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展。在旺盛的電力需求帶動(dòng)下,煤炭和電力生產(chǎn)能力增長(zhǎng)迅速,目前基本能夠滿足市場(chǎng)需求,但能源供應(yīng)安全和能源環(huán)境形勢(shì)一直嚴(yán)峻。在“十三五”期間,我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展面臨新常態(tài),經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型迫在眉睫,為此我國(guó)政府提出創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開(kāi)放、共享五大發(fā)展理念。能源發(fā)展的方向必將轉(zhuǎn)向清潔、高效、低碳的可再生能源上來(lái),其中海洋新能源的發(fā)展方興未艾。在海洋潮流能發(fā)電領(lǐng)域,水平軸潮流能發(fā)電裝置憑借較高的能量利用系數(shù),占據(jù)著潮流能發(fā)電的主要地位,但是在低流速下難以啟動(dòng)、在高流速時(shí)抗壓能力不足以及電氣設(shè)備位于水下所造成的密封問(wèn)題成為制約其發(fā)展的因素。與之相對(duì)的是垂直軸潮流能發(fā)電裝置,盡管能量利用系數(shù)稍低但是具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、啟動(dòng)性能好、不受水流方向影響等優(yōu)點(diǎn),漸漸受到人們的關(guān)注。垂直軸潮流能發(fā)電裝置葉片的水動(dòng)力性能分析方法與垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)動(dòng)力性能分析方法類似,根據(jù)數(shù)學(xué)模型的理論依據(jù)可以將分為三類:(1)基于動(dòng)量定理的方法,(2)基于旋渦理論的方法,(3)基于求解N-S方程的CFD方法。計(jì)算流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)是物理學(xué)三大定律,即動(dòng)量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、能量守恒定律。Fluent主要原理是求解不可壓縮粘性流體運(yùn)動(dòng)方程,即N-S方程。討論了湍流模型和旋轉(zhuǎn)模型,本文選擇使用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)方法建立運(yùn)動(dòng)模型,它可以較為真實(shí)地模擬旋轉(zhuǎn)葉片和流場(chǎng)間的相互影響,從而描述葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流場(chǎng)特征。本文利用Ansys Fluent對(duì)Savonius葉片數(shù)量對(duì)水輪機(jī)的影響做了流體仿真分析。分別模擬了2--8葉片7種不同的水輪機(jī),在一定流速下(1m/s)的壓力、湍流強(qiáng)度和速度大小分布云圖。通過(guò)對(duì)葉片兩側(cè)的壓力分布情況的分析可知,Savonius葉片在一、三、四象限產(chǎn)生正轉(zhuǎn)矩,帶動(dòng)水輪機(jī)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),葉片在第二象限產(chǎn)生負(fù)轉(zhuǎn)矩,阻礙水輪機(jī)沿逆時(shí)針?lè)较蜃鲂D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。2葉片和3葉片的Savonius水輪機(jī)的壓力梯度分布在更大的區(qū)域,更為均勻,容易獲得穩(wěn)定的轉(zhuǎn)矩。通過(guò)分析湍流強(qiáng)度圖像可知2、3、4葉片的Savonius水輪機(jī)的湍流強(qiáng)度分布比較均勻,而5-8葉片水輪機(jī)葉片周圍的湍流強(qiáng)度分布越來(lái)越不均勻,這會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生空化現(xiàn)象并使效率降低,因此從能量利用率來(lái)看,2--4葉片的Savonius水輪機(jī)具有更好的性能。而通過(guò)對(duì)阻力和轉(zhuǎn)矩曲線圖的分析可知,2葉片的Savonius水輪機(jī)受到更大的阻力和轉(zhuǎn)矩,因此能夠獲得更高的效率。結(jié)合Savonius葉片的工作原理,文章提出了一種新型的潮流能發(fā)電裝置。包括:上下兩組Savonius型垂直軸葉片、定子和轉(zhuǎn)子均可轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)(該發(fā)電機(jī)的定子與外殼相連)、固定支架。其中,發(fā)電機(jī)通過(guò)支架固定在浮體上,上下葉片同軸對(duì)置(間隔180度),上葉片通過(guò)轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接,下葉片通過(guò)轉(zhuǎn)軸、套筒與發(fā)電機(jī)的定子連接。當(dāng)水流通過(guò)時(shí),上下葉片同軸反向旋轉(zhuǎn),同時(shí)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子各自延相反方向旋轉(zhuǎn)進(jìn)行發(fā)電。Savonius葉片是一種比較典型的阻力型葉片,工作時(shí)對(duì)穩(wěn)定性要求較高。文章分析了各主要材料的優(yōu)缺點(diǎn)后選擇玻璃鋼作為制造葉輪的材料。對(duì)發(fā)電裝置工作時(shí)的軸承進(jìn)行選擇與校核,確保裝置的安全。通過(guò)ANSYS的CFX模塊,選用基于標(biāo)準(zhǔn)k-?湍流模型,對(duì)整個(gè)裝置模型進(jìn)行流體分析,得到水輪機(jī)的壓力云圖、速度云圖等。通過(guò)Static structure模塊進(jìn)行流固耦合分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,獲得了葉輪結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及變形分布。將有限元仿真得到的結(jié)果進(jìn)行處理和分析,得到葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生扭矩的情況,根據(jù)功率的計(jì)算公式,得到小型Savonius潮流能發(fā)電裝置的功率特性,并計(jì)算求得發(fā)電裝置的功率。文章最后結(jié)合該潮流能發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)思路,設(shè)計(jì)相應(yīng)的水槽實(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證2-4葉片Savonius葉輪的性能優(yōu)劣,驗(yàn)證小型潮流能發(fā)電裝置的發(fā)電功率和計(jì)算機(jī)模擬得到的理論計(jì)算數(shù)值的相似度。結(jié)果表明,在相對(duì)流速相同的情況下,2葉片savonius葉輪的轉(zhuǎn)矩要稍大一些,與仿真模擬的結(jié)果相同。實(shí)驗(yàn)推測(cè)得到的發(fā)電裝置發(fā)電功率為277.64W,與計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出的結(jié)果295.2W結(jié)果相差不大,誤差為6.1%,屬于合理誤差范圍之內(nèi),驗(yàn)證了該發(fā)電裝置的有效性。
[Abstract]:After the reform and opening-up, China's economy has developed at a high speed. Under the drive of vigorous power demand, the production capacity of coal and electricity is growing rapidly, and the market demand is basically met, but the energy supply safety and the energy environment situation have been serious. During the 鈥淴III.鈥，

本文編號(hào)：2417008