基于变流速的活动扩张角导流装置性能研究

针对导流装置型水轮机在高流速条件下叶片承受过大轴向力的问题,提出了一种自适应流速变化的导流装置解决方案。该装置能够在低流速区间保持相对稳定的增速比,而在高流速区间通过调整增速比来减轻叶片负载,提高水轮机在低流速环境下的功率输出。通过数值分析,以增速比作为评估指标,研究了扩张角的调整范围、活动装置的长度和形状,并分析了不同流速条件下的长短轴比例、水轮机所受推力及获能情况。研究结果表明：使用翼型活动装置,保持其长宽比为1.5,扩张角调整范围为0～15°,增速比的调整范围为1.10～1.57;当活动装置的长短轴比例为3.4∶1时,在高速流场中叶片相对受力可降至1.1左右,同时在低流速区域具有较好的能量转换效率。     

浪流集成发电机组研究与试验

为提高能源捕获和能量转换效率,改善水轮机叶片对流场性能的影响,以发展海洋可再生能源发电装备技术为目标,采用流体力学中 ANAYS 仿真模拟和试验对比研究的方法,提出一种双向浪流集成发电机组。该装置采用柔性直驱式永磁发电机,省去中间的增速机构,实现了小型模块化供电,提高了水轮机能量转换效率。为提高水轮机能量系数,优化流场性能,设计了双向导流罩,研究不同导流罩张角对流场的影响,对其进行仿真分析,并针对不同张角的导流罩进行模拟,得到最佳导流罩张角。水槽试验结果表明: 该装置最大功率点的取值取决于叶轮叶片的结构参数、导流罩的大小和电动机的效率。增设导流罩可以降低流体在导流罩内的湍动干扰作用,改善叶轮在流场环境下的运行效果。导流罩扩口最佳角度在 25°附近。该装置具有低速起动性能好、不需要换向以及效率高等特点,可以在流速较低、双向来流的条件下推广使用。     

叶片结构对双通道海流能发电装置的影响

针对研发出的可将海水的双向流动转化为叶轮的单向旋转的双通道海流能发电设备,利用Fluent 6.3软件MRF模型进行了二维数值计算,分析了叶轮转速为0.3 rad/s时,转动角度在5°~90°时,通道内流体的速度和压力分布,研究了弧形叶片和平叶片在不同的转动角度下对通过发电设备的海水流量和设备的输出功率等性能参数的影响。     

轴流式水轮机导流罩与叶轮尾流流场仿真研究

文中提出一种新型轴流、悬浮式潮流能水轮机结构,为提高其潮流能利用效率,采用CFD技术对水轮机外围流线型导流罩内流场与叶轮尾流场进行数值仿真研究。通过对比拟定的10种不同线型导流罩,发现收缩段和扩散段的进出口曲线前后连接点比例mx为0.3的双三次曲线导流罩内流场更加稳定、均匀。为进一步研究导流罩的聚能作用与叶轮尾流场的速度分布情况,实施了有、无导流罩工况下水轮机的数值仿真,结果显示:距离叶轮下游边缘1.25D(D为叶片直径)以内的流场域流速有显著的改变,且加装双三次曲线0.3mx=线型导流罩,水轮机较敞水工况输出功率提高约29%。相关的拖曳水池模型试验验证了数值仿真方法的有效性。     

双向叶轮直驱式海浪发电装置设计与优化

为了降低海洋能源发电装置的发电成本、提升发电效率,研制了一种新型的双向叶轮直驱式海浪发电装置。采用经验算法和Fluent软件分别对装置的发电机、叶片、双向轴流泵和导流罩进行了设计优化。通过对安装20 W电机和200 W电机发电装置的水槽试验,分析了在不同工况和负载下,发电装置输出的直流电流值、直流电压值、发电功率以及获能效率。结果显示,波浪力能够直接驱动装置叶轮运转进行发电,不需经过中间环节转换,省去了二级发电损耗,在最低流速0.5 m/s的工况下装置能够自启动,而且水流的流向不影响装置的发电效率。从最终的获能效率可知,导流罩对于提升装置发电效率作用巨大。通过对此新型双向直驱式海浪发电装置的进一步研究表明,该发电装置尺寸及发电机功率是制约整个装置发电效率的关键,为下一步研制大型样机以及进行海试提供了依据。     

喇叭口圆角对湿定子贯流泵装置的影响

为探究不同进水流道喇叭口圆角半径对湿定子贯流泵装置的影响,该文以一台比转速ns=850的湿定子贯流泵装置为研究对象,对不同喇叭口圆角半径下的进水流道进行数值分析,并预测泵装置的性能,研究结果表明:喇叭口圆角处的压力值最小,随着圆角半径的增大,低压区域的面积减小,进水流道水力损失减少;圆角半径减小到一定程度会影响进水流道的流态,产生漩涡;增加喇叭口圆弧半径到60mm,泵装置的扬程变化不大,效率提升0. 75%。     

折线型悬浮导流罩的水动力设计

为提高一种可根据海流方向做自适应调整的轴流悬浮式潮流能水轮机结构的运行效率,设计了对水轮机外围加装带外包络的三段式导流罩结构,采用数值仿真方法对该导流罩结构进行水动力性能分析,并结合模型试验进行验证。数值仿真结果表明,收缩段和扩散段都为15°攻角的折线型导流罩的水动力性能良好,带导流罩比未带导流罩在相同工况下水轮机输出功率提高30%左右;模型试验得到与数值模拟相近流场数据,证明该导流罩结构收缩段和扩散段的形状阻力相对较小,直线段流速稳定,导流聚能效果明显,为与该水轮机结构相匹配的最佳三段式折线型导流罩结构。     

一种变角度导流装置的水动力设计

借鉴风力机扩散器原理,基于提高冲击式海浪发电装置的发电效率,设计了一种变角度导流装置。低流速情况下,由于导流罩原因,扩大了内部初始海流对叶轮的冲击力,增加海浪利用效率;在高流速条件下,通过变角度逐渐缩小进流口面积,防止内部叶轮超载工作。提取影响导流罩保护性能的因素,应用RNG湍流模型对3个主要因素进行分析,选取III级海浪流流速计算相关数值,最后通过模型试验对其性能进行验证。试验选取半径0.5 m叶轮,入口流速达到8.1 m/s时外部流体冲击叶轮的有效面积为0.058 m2,此情况下不足以启动叶轮。模型分析和验证结果均表明,加装变角度导流罩对叶轮有较明显的保护作用。     

叶轮转速对双通道海流能发电装置的影响

针对研制的一种双通道海流能发电设备,利用Fluent 6.3软件结合MRF模型进行了二维数值计算,分析了叶轮转速在0.1~1 rad/s,转动角度在10°~90°时,通道内流体的速度和压力分布,研究了叶轮转速对通过发电设备的海水流量和设备的输出功率等性能参数的影响。计算结果表明,在一个性能参数变化周期内,当叶轮转动角度为30°~50°时,在相同的叶轮转动角度情况下,叶轮转速较小时,流量较大;当叶轮转动角度大于60°时,在相同的叶轮转动角度情况下,随着叶轮转速的增加,通过发电设备的流量和发电设备的输出功率逐渐增加。     

浅海潮流流速剖面参数的相位分析

总结了潮流摩阻流速的确定方法,并根据对江苏岸外西洋海域的实测资料进行了流速剖面参数的计算和相位分析,结果表明：①浅海潮流的摩阻流速要早于平均流速达到最大值;②受潮流海底紊动切应力的影响,底层最大流速到达时间要比上层及表层最大流速稍微提前;③在一个潮周期中,达到最大值的首先是摩阻流速及粗糙长度,然后是流速,最后才是水深。     

双向潜水贯流泵装置内流及水力性能分析

为明晰双向运行时潜水贯流泵装置的内流特征及水力性能,采用数值模拟技术对双向潜水贯流泵装置进行全流道计算,通过模型试验验证数值计算的有效性。结果表明：在叶轮的叶片安放角0°、双侧可调导叶的叶片调节角0°且灯泡体位于内河侧时,泵装置在排涝工况时最高效率为59.29%,引水工况时泵装置最高效率为58.41%;双向运行各流量工况时,叶轮进水侧的过流结构内部流线均平顺流态较好,叶轮出流侧的过流结构内部流态相对紊乱;在双向运行时,直管式流道的出口面轴向速度分布均匀度均大于92%,速度加权平均角均大于89°,直管式进水流道为叶轮提供良好的入流速度分布;在高效工况时,泵装置出水流道进口的偏流角均低于导叶体出口;叶轮所受的轴向力均随着流量的增大而减小。研究成果为双向潜水贯流泵装置的结构优化提供了一定的参考价值。     

一种基于海浪发电的浮式消波堤设计与试验研究

为了进一步解决近海渔业养殖的供电问题,设计了一种基于海浪发电的浮式消波堤。利用波浪力学和垂荡能量转化相关公式,对适用于福建省霞浦县海域的抗风浪消波堤进行整机尺寸的设计,同时借鉴典型水力发电叶片的计算方法,对用于波浪能量捕获的消波堤外圈摆叶进行了设计,利用稳压电路对发电机输出的电能进行稳压处理,最后通过 40 W 小型样机的试验验证了装置的发电性能。结果显示,对于设计功率为 40 W 的试验样机,2 h 监测区间内平均功率为42 W,最大功率为 54 W; 最佳负载状态下的60 s 周期输出电压峰值为52 V,平均电压为 20 V 左右,但输出电压起伏较剧烈,来潮间隙时刻存在电压为0 的区间。研究成果为海浪发电设备的设计提供参考和借鉴。     

珠江三角洲河网径流输运过程对河床地貌的影响

通过珠江河口平面二维潮流数学模型,对不同地形条件下珠江三角洲河网区径流输运过程进行了分析。结果显示河床下切导致蕉门、虎门的潮汐动力加强,分流比减小,而磨刀门的分流比则有所增加。由于河床容积的增加,主要河道余流流速均有所减少,但由于北江干流分流比的下降,其余流流速减小趋势尤为明显。     

感潮分汊河道平均分流、分沙比确定方法探讨

在感潮河段,汊道分流、分沙比随涨落潮过程的变化而变化,进行全潮施测较为困难。基于镇扬河段和畅洲汊道、扬中河段太平洲汊道的两次全潮水文测验,探讨了汊道平均分流、分沙比的确定方法。结果表明：涨潮过程中,分流、分沙比变化主要受涨潮流影响,变幅较大,且在高高潮前约2 h,主汊涨潮分流比、分沙比达全潮最大;落潮期间,分流、分沙比变化主要受主、支汊河道阻力对比影响,变幅较小;落潮流对分汊河道河床演变产生主要影响,故可用落潮平均分流比来代表汊道平均分流比。研究结果可为感潮汊道分流比、分沙比测验提供技术支持。     

新型H型叶片潮流能水轮机不同翼型水动力性能分析

为了探究垂直轴潮流能水轮机转轮叶片翼型对其水动力性能的影响,在保持水轮机密实度相同的条件下,采用Fluent软件对4种不同翼型的H型直叶片潮流能水轮机进行了三维流场非定长数值模拟。通过4种H型叶片翼型对转轮动力扭矩特性和水能利用系数的影响,分析了潮流能水轮机水动力性能。结果表明,NACA0015翼型的水轮机单叶片动力扭矩最大值明显高于其他3种翼型;而整体转轮扭矩最大值取决于其不同的来流速度等运行工况。从整体上看,不对称翼型NACA4415的水轮机水能利用效率优于其他3种翼型。本研究为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

水平轴潮流能水轮机叶片变桨角度研究

利用Flow-3D软件建立了单桩型水平轴潮流能发电机的三维数值模型。采用该模型对不同叶片变桨角度时的水动力过程进行了模拟计算,并根据计算结果从叶轮转速、叶轮动能、叶轮受力、水位和流速变化的角度进行了分析和讨论。数值模拟结果表明：当叶片变桨角度增大时,来流方向的叶轮受力和叶轮动能也都随之增大;变桨角度对于与来流垂直的y和z方向的叶轮受力影响较小;叶片变桨角度越大、水轮机下游附近流速降低的越快,流速就越小,而在水轮机下游较远处,叶片变桨角度越大,尾流场恢复得越快,其流速也越大。     

南水北调西线一期调水对黄河梯级发电作用分析

南水北调西线工程是从长江上游干支流调水入黄河上游,缓解黄河流域及邻近地区水资源严重短缺形势的特大型跨流域调水工程。南水北调西线第一期工程从雅砻江、大渡河干支流调水80亿m^3,调水进入黄河干流上游贾曲附近,初步规划向黄河干流河道内补水量20亿m^3。通过分析,调水后影响黄河调入断面下游河段梯级40座,总装机容量29668.3 MW。调水对电站保证出力和发电量等电能指标增加明显。在不考虑电站扩机的情况下,与调水前相比,黄河干流梯级电站可增加保证出力29.0%,多年平均年发电量增加26.8%。在考虑扩机的情况下,与调水前相比,多年平均年发电量可增加29.2%。     

水平轴式海流发电装置的设计研究

为了提升海流能发电装置的的能量转换效率,研发了一种水平轴式 S 形叶轮海流发电装 置。采用升力法设计叶轮结构,建立 CATIA 模型并开发了模具,以便于大规模的加工叶轮。设计 了 9 槽 8 极绕组水下防腐永磁发电机,并进行了发电机系统结构的设计。导流罩的线性选择使得 海流速度增加 14% ～ 23% ,但流速过大又造成了装置不稳定。通过工程样机海上试验,验证了永 磁发电机的发电性能,同时检测了发电装置实验阶段的防水及防腐效果。轮机在流速达到 0. 32 m /s 时即实现无负载自起动。在海水流速为 2. 5 m /s 时,轮机的获能功率可达到 1 150 W; 在海水流速为 2 m /s 左右的海况下,轮机的实际获能功率在 900 W 上下,获能效率最高为 32% ,提高了能量的转换 效率。