本文關(guān)鍵詞：水平軸潮流能水輪機(jī)仿生鯊魚鰭葉片的設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能研究

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【摘要】：近年來(lái),潮流能的開發(fā)越來(lái)越受人類重視,水輪機(jī)作為獲取潮流能的常用裝置,它能將潮流能轉(zhuǎn)化為葉片旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能進(jìn)而通過(guò)發(fā)電裝置產(chǎn)生電能。葉片作為水輪機(jī)獲能的關(guān)鍵部件,其性能直接決定水輪機(jī)的獲能效率,翼型又是構(gòu)成葉片的基本元素,因此翼型的選取在獲能研究中十分重要。本文從仿生學(xué)出發(fā),在水輪機(jī)葉片仿形技術(shù)的基礎(chǔ)上,擬將鯊魚鰭翼型的優(yōu)異水動(dòng)力性能應(yīng)用到仿生翼型葉片和組合翼型葉片的設(shè)計(jì)上,以期改進(jìn)水輪機(jī)的性能。論文以鯊魚鰭為翼型獲取對(duì)象,利用逆向工程技術(shù)將三維掃描點(diǎn)云進(jìn)行處理,得到鯊魚胸鰭和尾鰭的構(gòu)型曲面,然后應(yīng)用Solid Works三維建模軟件按一定比例截取魚鰭不同位置的翼型。再經(jīng)過(guò)Profili軟件選擇高升阻比或高扭矩系數(shù)的翼型,得到最優(yōu)仿生翼型和組合葉片翼型。然后結(jié)合葉素動(dòng)量理論、Wilson葉片設(shè)計(jì)理論以及基于Mat lab的葉片參數(shù)優(yōu)化和坐標(biāo)變換等過(guò)程,生成仿生葉片和組合翼型葉片,進(jìn)而建立起仿生鯊魚鰭水輪機(jī)模型。數(shù)值模擬是從仿真的角度分析水輪機(jī)的性能。論文采用CFD方法,其過(guò)程包括網(wǎng)格劃分、求解計(jì)算、后處理等。其中網(wǎng)格劃分采用Gambit軟件,并按要求進(jìn)行流體域、旋轉(zhuǎn)域的設(shè)置;求解計(jì)算和后處理部分采用專業(yè)流體分析軟件Fluent進(jìn)行處理。然后在變槳距情況下下對(duì)仿生葉片、組合翼型葉片和常規(guī)翼型葉片進(jìn)行水動(dòng)力性能的對(duì)比分析并得到如下結(jié)論：在額定轉(zhuǎn)速、額定流速下,仿生葉片和組合葉片分別在槳距角為70。和60。時(shí),葉輪對(duì)轉(zhuǎn)軸的扭矩達(dá)到最大值,且均大于常規(guī)翼型葉片,比較前兩者又可確定仿生葉片性能最佳。同時(shí)還分析了不同葉片的壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)云圖,并得到了相應(yīng)結(jié)論。在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,論文設(shè)計(jì)了無(wú)線遙控舵機(jī)控制的變槳系統(tǒng),設(shè)計(jì)包括：變槳距力矩及傳動(dòng)方式的研究、系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)、三維造型等過(guò)程。然后進(jìn)行了仿生葉片和組合葉片模型的加工、變槳系統(tǒng)的制造與裝配以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方案的制定等,最終將通過(guò)下水實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)幾種葉片構(gòu)成的水輪機(jī)進(jìn)行水動(dòng)力性能的測(cè)試,并達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差不大,趨勢(shì)變化一致,并能得到額定流速下不同槳距角對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速這一重要數(shù)據(jù)。總之,本文的研究為水輪機(jī)葉片仿生翼型的選擇提供了參考,為潮流能水輪機(jī)葉片的設(shè)計(jì)提供了新的思路,揭示了仿生學(xué)在工程設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用,對(duì)開發(fā)利用和推廣海洋能具有一定的指導(dǎo)意義。同時(shí),論文的研究方法和數(shù)據(jù)結(jié)論也為仿生學(xué)應(yīng)用于潮流能水輪機(jī)的后續(xù)研究提供了參考價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】：潮流能 水輪機(jī) 仿生鯊魚鰭 翼型 變槳系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK730.3
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 緒論12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 水平軸潮流能水輪機(jī)及葉片設(shè)計(jì)現(xiàn)狀13-15
• 1.2.1 潮流能水輪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 水輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)現(xiàn)狀15
• 1.3 仿生技術(shù)在葉片設(shè)計(jì)中的發(fā)展及應(yīng)用15-18
• 1.3.1 仿生技術(shù)在風(fēng)力機(jī)葉片中的應(yīng)用16-17
• 1.3.2 水輪機(jī)仿形技術(shù)17-18
• 1.4 研究目的及內(nèi)容18-22
• 1.4.1 課題來(lái)源18
• 1.4.2 課題研究目的18
• 1.4.3 課題研究?jī)?nèi)容18-19
• 1.4.4 研究路線19-22
• 2 鯊魚鰭翼型選取22-37
• 2.1 翼型簡(jiǎn)介22-23
• 2.1.1 翼型幾何特征22
• 2.1.2 翼型的發(fā)展22-23
• 2.2 鯊魚鰭掃描點(diǎn)云的處理23-25
• 2.3 魚鰭不同位置翼型的截取25-28
• 2.3.1 文件格式的轉(zhuǎn)化及導(dǎo)入25-26
• 2.3.2 翼型段的選取26
• 2.3.3 仿生翼型截取26-28
• 2.4 Profili選型28-36
• 2.4.1 仿生葉片翼型的選取28-32
• 2.4.2 組合葉片翼型的選取32-36
• 2.5 本章小結(jié)36-37
• 3 葉片設(shè)計(jì)及優(yōu)化37-56
• 3.1 葉素動(dòng)量理論37-39
• 3.2 渦流理論39-40
• 3.3 葉素獲能計(jì)算40-42
• 3.4 葉片設(shè)計(jì)方法42-45
• 3.4.1 葉片設(shè)計(jì)理論42-43
• 3.4.2 設(shè)計(jì)工況選擇43-45
• 3.5 葉片參數(shù)優(yōu)化45-54
• 3.5.1 基于MATLAB優(yōu)化模型的建立45-47
• 3.5.2 優(yōu)化界面的創(chuàng)建47-49
• 3.5.3 翼型坐標(biāo)變換49-52
• 3.5.4 兩種葉片坐標(biāo)的輸出52-54
• 3.6 仿生葉片和組合葉片模型的建立54-55
• 3.7 本章小結(jié)55-56
• 4 數(shù)值模擬56-67
• 4.1 CFD分析56-61
• 4.1.1 CFD方法簡(jiǎn)介56-57
• 4.1.2 CFD數(shù)學(xué)模型57-58
• 4.1.3 物理模型網(wǎng)格劃分58-59
• 4.1.4 Fluent分析計(jì)算59-61
• 4.2 水輪機(jī)變槳數(shù)值模擬61-63
• 4.2.1 仿生葉片水輪機(jī)變槳距模擬61-62
• 4.2.2 組合葉片水輪機(jī)變槳距模擬62-63
• 4.2.3 兩種葉片模擬值的對(duì)比63
• 4.3 葉輪流場(chǎng)特性分析63-66
• 4.3.1 速度場(chǎng)分析63-64
• 4.3.2 壓力場(chǎng)分析64-66
• 4.4 本章小結(jié)66-67
• 5 變槳系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造及水輪機(jī)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)67-76
• 5.1 無(wú)線變槳控制系統(tǒng)67-70
• 5.1.1 變槳原理67-68
• 5.1.2 變槳系統(tǒng)力矩研究68
• 5.1.3 變槳系統(tǒng)傳動(dòng)方式68-69
• 5.1.4 無(wú)線遙控變槳系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)69-70
• 5.2 模型加工制造70-72
• 5.2.1 葉片3D打印70-71
• 5.2.2 變槳系統(tǒng)加工與裝配71-72
• 5.3 水輪機(jī)下水實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)72-75
• 5.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備72-75
• 5.3.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>75
• 5.3.3 實(shí)驗(yàn)步驟75
• 5.4 本章小結(jié)75-76
• 6 總結(jié)與展望76-78
• 6.1 主要研究工作及結(jié)論76-77
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)77
• 6.3 不足與展望77-78
• 參考文獻(xiàn)78-82
• 致謝82-83
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷83-84
• 附錄84

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本文編號(hào)：540782