潮流能水平轴水轮机空化数值模拟

以50 k W潮流能水平轴水轮机为例进行叶片设计,采用计算流体力学软件Fluent分别模拟全湿流模型和空化流模型的水轮机水动力学性能,数值模拟结果表明水轮机运行过程中存在空化现象,空化首先发生在背流面叶片尖端,由叶片尖端向叶片中部发展,空化的发生可降低水轮机的功率系数和扭矩系数,增大水轮机的轴向力系数,工程上应采取相应的措施。     

潮流能水平轴水轮机数值模拟研究

主要基于粘性CFD理论对数值模拟中不同参数的影响做出详细研究与论证,计算水平轴潮流能水轮机在不同网格数量、湍流模型与参考系的结果。通过数值模拟与模型实验结果的对比,验证计算结果的准确性。另外分析计算误差产生的原因,总结可得到较精确结果的参数设置、网格划分原则以及计算模型。     

竖轴潮流能水轮机群数值模拟研究

为了实现竖轴潮流能水轮机群的优化布置,基于CFD方法分别对单排和双排水轮机群进行数值模拟。对于单排水轮机群排布,水轮机只有相互十分靠近时其输出效率才会得到显著提升,而相邻水轮机相对旋转方向对机群的效率无影响。对于双排水轮机群排布,下游水轮机会使上游水轮机的尾流变窄、流速加快,但对上游水轮机的效率无影响。合理选择上游水轮机的间距可提高下游水轮机的效率,优化的双排水轮机群排布方案大幅提升了整个机群的效率。     

垂直轴潮流水轮机数值模拟研究

采用单向耦合欧拉-拉格朗日方法对垂直轴潮流水轮机( Vertical Axis Tidal Turbine)水动力性能和尾迹进行数值模拟研究,其中连续相采用雷诺平均Navier-Stocks方程(RANS)结合SST湍流模型求解,分散相颗粒的运动轨迹通过牛顿第二定律确定,叶片的尾迹通过颗粒的轨迹示踪.以文献[10]中在水槽中进行的垂直轴风力机试验为计算模型.将模拟结果与试验结果进行对比,叶片受力和叶片尾迹均与试验结果符合很好;对比前人的结果得到的叶片在不同位置角的瞬时受力规律也更加接近试验测得规律.     

潮流能水轮机双机组单列布置数值模拟研究

研究潮流能水轮机在单列布置时不同间距工况下的性能和尾流场效应,对潮流能水轮机发电场的布置选址及商业化运行具有重要意义.基于流体分析软件STAR-CCM+,首先对单台机组尾流场各垂向断面叶轮扫略范围内速度、动量和动能物理量进行积分,发现各物理量之间差值会随着速度恢复值的增大而减小;而后在机组间距为10D、14D、18D(...     

水平轴潮流能水轮机性能的数值模拟与实验

为预测所设计水轮机的水动力学性能,分别采用滑移网格与多参考系的旋转模型在ANSYS workbenchFluent中对设计的潮流能水轮机进行数值模拟,得到不同桨距角、不同尖速比下水轮机的轴向力系数、扭矩系数、功率系数。利用3D打印技术制作水轮机模型,并在实验水槽中进行模型实验。实验表明,所设计的水轮机具有较好的水动力学性能,实验值与2种旋转模型数值模拟对比表明,利用滑移网格旋转模型比利用多参考系旋转模型进行数值模拟得到的结果更加精确,计算时间相应有所增加。另外,利用滑移网格的方法得到不同尖速比下水轮机转子叶片的正负压力分布规律,可为水轮机工况分析与水轮机叶片加工制造提供指导。     

横向布置单桩潮流能水轮机的数值模拟研究

文章以单桩潮流能水轮机为研究对象,通过数值计算的方法对横向布置下两台单桩潮流能水轮机的尾流场及机组性能进行研究。通过对比不同横向间距下单桩潮流能水轮机的尾流场,获得了横向间距对潮流能水轮机尾流场的影响规律。数值计算结果表明:单桩结构会改变水轮机的纵向尾流场,但对横向尾流场的影响较小;随着横向间距的改变,机组的功率系数和推力系数的变化幅值不超过0.01;横向间距对机组的横向尾流场也造成了影响,导致各个机组的尾流中心偏向两个机组的中间位置,且随着横向间距的增大,机组u/U0低于0.9的范围随之增大,幅值可达0.26D。     

阻塞比对潮流能水轮机尾流特性影响数值模拟研究

首先通过对比分析数值模拟结果与水槽实验尾流场速度数据,验证数值模拟的准确性。通过在软件STAR-CCM+中改变水槽宽度的模型,使水轮机阻塞比分别在9.8%、14.7%和29.5%的情况下进行模拟计算,分析潮流能水轮机尾流特性的变化。结果显示,阻塞比的变化不仅会改变水轮机扫略区域外流体速度,影响远尾流恢复速度,还会对尾流的旋转和湍动能分布造成影响;但随着槽宽增加阻塞比减小,其对尾流特性影响逐渐减弱。     

潮流能水轮机叶片翼型水动力性能的数值模拟研究

鉴于潮流能水轮机叶轮叶片性能的好坏关系到叶轮的捕能效果,而叶片翼型的水动力性能是叶片设计的基础,基于CFD软件ANSYS CFX对部分翼型的水动力性能进行了分析。首先在不同湍流模型下对NACA2412翼型的部分水动力特性进行数值模拟并与试验值做对比分析;然后在SST湍流模型下,对NACA64421翼型在攻角为0°时,探讨了边界层网格对数值模拟结果的影响;并对其在攻角为-2°~20°情形下的水动力性能进行了数值模拟。结果表明,湍流模型的选用、边界层网格划分及近壁尺寸的选取对数值模拟结果的影响均较大,并通过数值模拟得到了NACA64421翼型的升力系数、阻力系数、最佳攻角、失速角等水动力性能参数,可为水轮机叶片设计时翼型的选取提供参考。     

海浪条件下水平轴叶片式潮流能水轮机流动特性的数值模拟

为了研究自由海浪条件下的高潮汐流速对水平轴潮流能水轮机的动态特性影响,基于STAR-CCM+建立了海浪条件下潮流能水轮机水动力特性的数值模拟方法,得到了海浪对潮流能水轮机转动影响规律及转动过程中产生的尾流特征。结果表明,潮流能水轮机角加速度的幅度与频率受海浪影响,但波动幅度小于海浪波动幅度、变化频率高于海浪波动频率;水轮机转动产生的尾流会使下一个水轮机的周围流场更紊乱,对叶片转动的影响、水轮机轴负载和能量利用率等方面会产生影响;压力脉动变化趋势分析认为,尾流对水轮机疲劳损伤并无太大影响。     

线性波作用下水平轴潮流能水轮机水动力性能的数值模拟

文章以20 kW水平轴潮流能水轮机为例,分别选取正常工况和极限工况下的波浪参数,运用计算流体动力学软件Fluent对线性波作用下的水平轴潮流能水轮机的水动力性能进行了数值模拟。数值模拟结果表明:水平轴潮流能水轮机在波浪作用下会受到交变的海洋环境载荷的作用,在该环境载荷的作用下,水轮机的各项水动力性能参数发生周期性变化;正常工况下,水轮机水动力性能参数的波动幅度为3%左右,波浪对水轮机的影响不大;极限工况下,水轮机水动力性能参数的波动幅度为35%左右,波浪对水轮机的影响很大。波浪对水轮机的影响不容小觑,对此,工程上应尽量避开波浪影响区或采取适当的措施提高水平轴潮流能水轮机叶片和支撑结构的疲劳强度,以减小波浪对水平轴潮流能水轮机性能的影响和破坏。     

基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟

为了探究翼型对垂直轴水轮机水力效率的影响,基于叶素理论分析建立了垂直轴潮流水轮机在水槽中的物理模型,采用滑移网格技术在Fluent软件中对模型的流场进行了三维数值模拟。在保持转速一定、更改来流速度即改变叶尖速比的条件下,分析了两种不同NACA翼型直叶片的潮流水轮机内部流场以及水力性能。结果表明,翼型以及叶片安装角对垂直轴潮流水轮机的利用效率影响很大,其流动特性与来流速度、叶片布置形式有重要联系,为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

潮流能水轮机复合材料叶片优化设计

叶片是潮流能水轮机组的主要获能部件,设计良好、质量小、稳定性佳的叶片对潮流能水轮机组的正常运行起着重要作用。为了解决100 kW潮流能水轮机复合材料叶片的材料利用率较低、叶片自重较大的问题,对复合材料叶片的内部结构进行优化设计,并利用有限元软件ANSYS建立叶片的三维模型,在考虑不同铺层方案的情况下,对叶片的蒙皮、主梁和腹板的厚度进行优化。优化结果表明,优化后叶片的质量降低了13.97%。考虑到叶片容易失稳的特点,对优化后的叶片进行屈曲敏感性分析,分析发现,蒙皮厚度和主梁厚度对叶片稳定性的影响最大。     

高水头平面闸门流激振动的数值模拟

针对高水头下平面闸门在启闭过程中受水流脉动压力作用可能引起强烈振动而容易发生破坏的问题,以某水电站导流底孔中工作闸门为例,采用势流体流固耦合理论,利用ADINA有限元软件建立水体—闸门流固耦合模型,通过输入水力学模型试验实测脉动压力时程曲线,计算分析了闸门局部开启时的流激振动特性,获得了闸门振动应力、位移、速度、加速度等分布规律,并根据闸门相关振动控制标准,判断出该闸门结构振动较轻微,满足标准要求。     

潮流能水平轴水轮机流场分析

用OpenFOAM开源软件对水平轴水轮机进行数值模拟,以推力T作为体积力附加源项均匀加载到制动盘模型（AD）,进行求解计算。在尖端速度比（TSR）为5.5的条件下,对自由区、单台水轮机、水轮机阵列3种情况下的流场进行分析。结果显示：在来流上游时,三者流速曲线吻合,流速增长趋势一致。水流在AD前端时,AD会对其有阻力作用,导致流速大幅下降。在尾流处,在水轮机阵列上游中,并列两侧水轮机尾流与下游水轮机流场发生动能交换,使其尾流恢复速度大于单台水轮机尾流速度。然而,无论是单台水轮机还是水轮机阵列,它们轴线方向上的中部尾流恢复严重不足,这是由于尾流的干涉使得下游水轮机的来流速度不断减小,其可吸收转化的能量也减少,速度随之减小,尾流也无法恢复。     

潮流能水轮机尾流场特性研究

研究水平轴水轮机的尾流场,在循环水槽中开展试验工作,采用ADV测量流速特性。利用计算流体力学技术进行数值模型研究,结合致动盘理论将水轮机进行简化,与试验结果进行对比分析,验证此方法的可行性。研究尾流场中速度和湍动能的变化规律,发现衰减系数在8D之后趋于一致,湍动能最大值出现在3D附近等现象。     

真实地形条件下潮流场及水轮机的数值模拟与研究

为了考察实际潮流场地形因素对实尺度水轮机影响,用数值模拟方法研究潮流场内部流动在海底地形作用下的变化规律,并探讨其对水平轴潮流能水轮机水动力学性能的影响。对安放水轮机位置处流速随水深的变化规律进行分析,讨论上游来流在底部地形和水轮机双重因素作用下的变化趋势;着重对比在不同工况下海底地形条件对水轮机水动力学性能的影响,并进一步分析真实潮流场中水轮机尾流的分布特性,为未来大尺度潮流能水轮机的设计优化及性能预测提供依据,并为复杂海况下潮流能水轮机水动力学研究提供一种思路和方法。     

水平轴潮流能水轮机尾流特性研究

文章以水平轴潮流能水轮机为研究对象,采用CFD方法对水轮机的尾流特性进行分析。通过网格无关性验证与已发表文献的比对,验证了CFD方法的精度。通过不同叶尖速比下的水轮机性能曲线,进一步分析了水轮机的尾流场速度分布特征。通过分析尾流场中轴向、径向和切向速度的分布特点,研究了水平轴潮流能水轮机尾流的微观结构特征及其演化规律。研究结果表明:尾流横向影响范围在以中心轴线为中心的1D范围内;在近尾流处,尾流速度具有周期性,轴向速度随着尾流下移而逐渐减小;在尾流旋转过程中,径向速度向外扩散并逐渐衰减,切向速度分量沿轴向逐渐衰减。     

垂直轴潮流能水轮机研究与利用现状

随着化石能源不断枯竭和环保要求的不断提高,世界各国对潮流能的开发利用愈加重视,垂直轴水轮机是潮流发电装置主要结构形式之一,本中介绍了垂直轴水轮机国内外利用现状和研究方法的进展情况,并指出垂直轴水轮机开发利用所需要解决和突破的技术难点和问题,为垂直轴水轮机开发利用指明了研究重点。     

潮流能水平轴水轮机设计软件框架设计与应用

潮流能水平轴水轮机设计过程涉及的参数、算法较多,但有一定规律可循。在现有理论基础和实践经验之上,制定一套相对标准的设计流程,并开发出一款水轮机辅助设计软件,使水轮机设计方便高效。根据水轮机设计流程搭建水轮机设计软件整体框架;结合动量理论、叶素理论、Wilson叶片设计模型推导叶片设计模块算法,运用叶素-动量理论分析叶片及水轮转子载荷模块算法;软件框架设计与其模块算法分析为设计潮流能水平轴水轮机设计软件奠定坚实基础。并以设计20与50 kW水轮机为例,设计出的水轮机获能效果满足工程要求,验证设计软件算法可靠。