【摘要】：隨著能源需求的持續(xù)增加,環(huán)境與化石能源消費矛盾日益突出,可再生能源的開發(fā)是目前研究的熱點。單一的可再生能源不能滿足世界的能源需求。以海流能、風(fēng)能為代表的可再生能源,其能量與流速的立方成正比,蘊藏量巨大。然而,當(dāng)前的技術(shù)不能大規(guī)模并且高效的利用海流能,尤其是低流速海流能。本文提出利用橢圓柱繞流擺動提取海流能的裝置,并通過試驗和數(shù)值模擬開展了流固耦合特性和能量轉(zhuǎn)化研究,對海洋海流能和低水頭水能資源的開發(fā)利用提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。橢圓柱繞流運動是繞固定軸的自激旋轉(zhuǎn),運動過程不斷將來流動能轉(zhuǎn)化為自激旋轉(zhuǎn)橢圓柱的機(jī)械能,從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)化來流動能的目的。為了分析幾何參數(shù)、運動參數(shù)以及來流的雷諾數(shù)對自激旋轉(zhuǎn)橢圓柱的水動力和能量轉(zhuǎn)化性能的影響,本文進(jìn)行了如下研究工作:通過物理模型試驗,研究了雷諾數(shù),偏心距離比以及長短軸比對橢圓柱擺動角度以及擺動頻率的影響。分析試驗結(jié)果可知,雷諾數(shù)對橢圓柱的擺動角度影響不顯著,但是雷諾數(shù)與橢圓柱的擺動頻率呈良好的線性遞增關(guān)系。橢圓柱的擺動角度隨著偏心距離比和長短軸比的增大逐漸增大;偏心距離比和長短軸比對橢圓柱的擺動頻率沒有關(guān)系。采用計算流體動力學(xué)(CFD)—剛體動力學(xué)(RBD)耦合模型進(jìn)行橢圓柱繞固定軸擺動的雙向流固耦合數(shù)值模擬�；趧泳W(wǎng)格技術(shù)求解二維非定常不可壓縮粘性流體N-S方程和SST(Shear Stress Transport)k-ω湍流模型控制方程,研究不同長短軸比,不同偏心距離比以及不同雷諾數(shù)對橢圓柱繞流擺動的影響,分析橢圓柱表面旋渦的脫落和瞬時壓力系數(shù)的變化。結(jié)果表明,流體繞流橢圓柱,其后部會產(chǎn)生周期性交替脫落的旋渦,從而在橢圓柱周圍形成周期性的作用力,該作用力產(chǎn)生了繞軸的合力矩。橢圓柱在合力矩的作用下自激旋轉(zhuǎn)。橢圓柱旋轉(zhuǎn)可以帶動周圍流體旋轉(zhuǎn),使得橢圓柱表面的流體速度和壓強發(fā)生變化。反映了流體和固體之間復(fù)雜的耦合作用。從能量角度出發(fā),對橢圓柱體能量轉(zhuǎn)化和流場所蘊含的能量進(jìn)行理論計算,建立了能量轉(zhuǎn)化效率的計算公式。討論了雷諾數(shù)、偏心距離比以及長短軸比對橢圓柱系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率的影響。研究結(jié)果表明,橢圓柱系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率隨著雷諾數(shù)、偏心距離比以及長短軸比的增大逐漸增大。圓柱系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化效率大于橢圓柱系統(tǒng)。此研究對低流速海流能和低水頭水能資源的開發(fā)利用奠定了理論基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：西北農(nóng)林科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P743.1
【圖文】：

即水頭勢能發(fā)電，而當(dāng)前的這種發(fā)電方式原理與風(fēng)力發(fā)電很相似，將海水流動的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽ǔＵ鞯?2012）。圖1-1 水下渦輪發(fā)電裝置Fig.1-1 Turbine-power equipment in ocean current generation根據(jù)水下渦輪發(fā)電機(jī)的葉輪軸線在流體中的布置方式，可以分為垂直軸式和水平軸式兩種。近幾年來，垂直軸式和水平軸式發(fā)電裝置發(fā)展都比較迅速，但這種利用方式需要較高流速的水流。在垂直軸式發(fā)電裝置方面，王樹杰等（2009）通過風(fēng)浪流水槽模型實驗平臺以及計算流體力學(xué)軟件，考慮不同葉片形狀、布置方式、結(jié)構(gòu)形式以及安裝方式等影響因素對柔性葉片水輪機(jī)進(jìn)行模型實驗和數(shù)值模擬，對垂直軸柔性葉片和水輪機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)以及各項性能等進(jìn)行了優(yōu)化配置。另外，設(shè)計優(yōu)化了潮流能發(fā)電海試水輪機(jī)，研制的 5kW 海試樣機(jī)，其水動力學(xué)性能良好。在流速為 1.7m/s 時

‘b)質(zhì)量彈簧一阻尼系統(tǒng)示意圖

式中：A 為響應(yīng)振幅，由于渦激振動圓柱有順流向和橫流向兩個自由度，所以響應(yīng)振幅包括順流向振幅和橫向振幅。由于渦激振動現(xiàn)象是不規(guī)則的、非線性變化，研究這些參數(shù)對渦激振動的影響時，不能簡單的將這些參數(shù)簡單的疊加在一起。為了提高能量轉(zhuǎn)換效率，Bernitsas和Raghava（2010）發(fā)明了VIVACE能量轉(zhuǎn)換器，VIVACE是一種基于渦激振動獲取清潔能源的轉(zhuǎn)換裝置。它是一個獨特的流體動力學(xué)系統(tǒng)，依賴于“渦激振動”和常規(guī)的能量形式，如波浪、潮汐、渦輪機(jī)或水壩。此裝置與水下渦輪機(jī)相比不需要相當(dāng)大的流速，可以在較低的流速水流中工作。水流繞流圓柱，主要有兩種運動形式：橫流向運動和順流向運動該裝置可以把圓柱體渦激振動所產(chǎn)生的位移通過齒輪變速裝置進(jìn)而將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽埽軌驅(qū)幽苻D(zhuǎn)化為電能，能夠傳輸電能以便于儲存和使用。在高雷諾數(shù)下，此裝置產(chǎn)生的能量效率可以達(dá)到30%。如圖1-3所示。該剛性圓柱體直徑為D、長度為L，兩個支撐彈簧的剛度k/2，系統(tǒng)阻尼為c，流速方向在x方向上，圓柱體被放置在其軸線垂直于流速的z方向上。圖1-4為多個圓柱組成的VIVACE能量轉(zhuǎn)換裝置，此裝置可以將海洋海流能轉(zhuǎn)化為電能，并加以儲存。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 羅竹梅;張立翔;;耦合四圓柱渦激振動的力特性及水動能獲取分析[J];振動與沖擊;2015年17期

2 王軍雷;冉景煜;張智恩;張力;蒲舸;丁林;;外界載荷對圓柱渦激振動能量轉(zhuǎn)換的影響[J];浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版);2015年06期

3 時t熇

本文編號：2743526