不同纵荡幅值下浮式水平轴叶轮的水动力性能分析

为研究浪流联合环境对于浮式潮流能水轮机性能的影响,对均匀来流环境下施加波浪激励下的水平轴获能叶轮进行水动力分析。结合ANSYS-Fluent流体仿真软件并对其进行二次开发,采用重叠网格法建立均匀来流时浮式获能叶轮受迫运动的水动力分析模型,模拟S型双向潮流能叶轮在不同幅值的纵荡运动时的水动力性能,并结合实际水槽试验对计算结果的准确性进行验证。分析结果显示：纵荡激励使获能叶轮周边的流场速度产生明显的瞬时波动,且获能叶轮受力载荷的波动幅值会因纵荡激励作用的增强而升高;叶轮尾流场的流速变化和流线的变化伴随纵荡幅值的增大而增大,但流场的均匀度伴随纵荡幅值的增大而降低。     

潮流能水轮机叶片在多安装角下的水动力研究

为精确控制潮流能水轮机的输出功率与载荷,得到叶片安装角控制规律,基于动量叶素理论、粘性CFD数值模拟以及模型试验的方法,对1 k W水轮机模型在不同安装角度下的水动力性能进行研究,计算水平轴潮流能水轮机叶片在不同安装角下的水动力性能与载荷。数值模拟与理论计算的结果表明:叶片安装角度的改变对水轮机的输出功率与载荷均有较明显影响,并呈现一定规律;通过模型实验验证了数值模拟方法的可靠性。     

浮式风机水池模型试验与仿真对比分析

为研究浮式风机动力特性以及验证数值仿真的准确性,以中国海装半潜型浮式风机参数为基础,阐述水池模型试验过程和环境工况,重点对试验与数值仿真结果进行对比分析。结果表明,采用推力相似和弗劳德数相似的水池试验方法可以满足验证浮式风机仿真模型的准确性。半潜型浮式风机低频运动响应明显,气动阻尼对共振响应可以起到抑制作用,横荡运动与横摇运动方向上具有较强的耦合现象。塔筒载荷能量主要位于低频段、波频段和风轮1P频率处,其中低频区主要受风载荷控制,波频区主要受波浪控制。     

波浪条件对潮流能水轮机及载体平台的影响

为研究波浪条件对漂浮式水平轴潮流能水轮机发电装置的载体平台与水轮机之间水动力性能的影响,应用计算流体力学(CFD)方法,利用STAR-CCM+软件的DFBI运动模块,设置多种波浪条件,计算载体平台和水平轴水轮机耦合作用,分析得出不同波浪条件对系统运动响应的影响规律。研究表明,波幅和波长对载体平台和水轮机的纵摇、纵荡、垂荡均有显著影响,且纵摇、纵荡、垂荡随波幅的增大而增大;波长1.5倍载体总长时平台纵摇幅度最大,此波长也是纵摇共振波长和同步垂荡波长。     

安装高程对潮流能水轮机尾迹特性影响试验研究

为探究安装高程对潮流能水轮机尾迹特性的影响,以模型潮流能水轮机为研究对象,采用ADV采集尾流场速度数据,对比分析不同高程下的尾流场特性,揭示安装高程对潮流能水轮机尾迹特性的影响规律.结果表明:随着安装高程的增加,转轮后方尾流速恢复速度逐渐加快,而湍流强度和雷诺切应力恢复速度有逐渐减小的趋势;横向尾流场水动力特性沿转轮中...     

偏流角对潮流能水轮机水动力影响研究

基于三维CFD数值模拟方法对潮流能水平轴水轮机进行分析研究,并与试验结果比较,验证该方法的有效性。通过改变迎流式和背流式偏流角的大小,研究不同偏流角对水平轴水轮机水动力特性的影响规律。结果表明:偏流使水轮机效率及轴向载荷的平均值下降,偏流20°时,迎流式和背流式效率最大下降分别约为5%和6%,轴向载荷系数最大下降分别为5.5%和7.0%;使瞬时值波动幅值增加,偏流角越大,波动幅值越大。     

考虑纵摇工况的漂浮式海上风机尾流特性数值研究

海上风-浪-流的存在使得海上风力机平台会产生六个自由度方向的运动。为研究纵摇运动对海上风力机尾流特性的影响,基于OpenFOAM平台,采用RANS方法的k-ε模型和重叠网格技术,考虑风剪切来流和简化的漂浮式平台六自由度运动条件,对纵摇状态下的风力机尾流进行数值研究。研究结果表明,纵摇工况下的风力机尾流恢复速度更快,且尾流恢复速度会随着纵摇运动的频率和幅值增加而增加。当纵摇运动的振幅较小时,近场尾流的风速恢复会受到一定的影响,而对远场尾流影响不大;当振幅较大时,纵摇运动会加速全部尾流区域的风速恢复,并出现更为明显的扩散现象。研究结果对揭示漂浮式海上风电机组纵摇运动下尾流产生和扩散的机理有一定的意义,为完善漂浮式海上风电场尾流损失模型提供了一定的物理基础。     

周期艏摇运动对浮式风力机的气动影响

相比于偏航工况,浮式风力机在风波联合作用下的艏摇运动不仅改变了来流的入射角度,又给叶片附加了牵连角速度,对其气动特性及稳定性带来巨大的影响。基于升力面自由尾迹方法研究周期艏摇运动对NERL 5 MW浮式风力机的气动影响,从入流速度的角度分析艏摇运动的作用机制,捕捉到了艏摇运动下的畸变尾迹,评估了风轮-尾迹效应。结果表明:幅值为3°的周期艏摇运动下,风力机平均功率上升了1.49%,波动幅值接近100 kW,最低功率值等于3°偏航工况;充分发展的尾迹对风轮的诱导作用略有减小,但对特定叶片的诱导作用反而加强:初始时刻位于特定方位角的某叶片会持续过载,且整机的艏摇及横摇力矩波动剧烈,不利于风力机长时平稳运行。     

偏航工况下漂浮式机组非定常气动特性研究

采用自由涡尾迹法探索漂浮式风电机组在偏航工况下，受平台纵摇影响时功率与气动特性变化规律。研究结果表明：随着偏航角的增加，输出功率以二阶余弦函数下降，推力以一阶余弦函数下降；动态局部轴向诱导因子最小值产生从0°～22°的相移；法向力系数曲线分解所得基频与二倍频分量振幅和偏航角正相关，三倍频分量与偏航无相关性；其中，风轮旋转与纵摇运动耦合导致法向力系数产生相对运动频率更高频的三倍频分量。     

风波耦合作用下风载荷对两种漂浮式风力机平台动态响应影响

为分析风载荷对漂浮式平台的重要影响,建立了基于单桩式及张力腿平台的漂浮式风力机整机模型,基于叶素-动量理论与辐射/绕射理论,运用水动力软件AQWA并结合有限元方法验证了风载荷及风波耦合的重要性,研究了波浪单独及风波耦合作用下漂浮式平台的时频域动态响应。结果表明：风载荷使平台产生了较大纵荡与垂荡漂移,其产生的倾覆力矩改变了纵摇平衡位置,风载荷使纵荡响应偏离平衡位置较垂荡与纵摇响应明显;对于纵荡响应,风载荷使两平台低频固有频率处的响应峰值增加;对于垂荡响应,风载荷使单桩式平台固有频率处的响应峰值减小,使张力腿平台纵荡-垂荡耦合响应及波浪频率处的响应峰值大幅增加;对于纵摇响应,风载荷使单桩式平台及张力腿平台低频固有频率处的响应峰值大幅增加;风载荷是引起单桩式平台纵荡-垂荡耦合运动的关键因素;波浪载荷是引起张力腿平台纵荡响应幅值较大的关键因素。     

固定偏角垂直轴潮流能水轮机叶片安装位置试验研究

叶片安装位置是影响固定偏角垂直轴潮流能水轮机水动力性能的关键参数之一,为了研究其对水轮机性能影响的基本规律,建立了垂直轴水轮机水槽模型试验系统,设计了垂直轴水轮机性能和载荷测试方法。通过试验结果的分析,得到了叶片安装位置对水轮机能量利用率、推力系数、侧向力系数和合力系数的影响规律,为水轮机设计提供了试验依据。     

基于面元法和FEM的海上浮式风力机叶片动力响应研究

考虑水动-气动耦合模型，研究海上浮式风力机在风浪作用下动力响应的数值模拟方法。采用速度势面元法求解浮式风力机叶片压力分布以及时变气动载荷；建立NREL 5 MW风力机的有限元模型，通过瞬态分析得到叶片的变形和应力分布。计算表明，在展长方向，越靠近叶根处，应力值越大；在弦长方向上，越靠近前缘点应力值越大。和风载荷单独作用相比，波浪载荷导致浮式平台产生较大幅度的纵荡和纵摇运动，能量传递到上部风力机后导致叶片的变形和应力更大。     

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。     

多工况条件下变叶片数潮流能水轮机能量及流动特性研究

文章建立了潮流能水轮机水动力性能数值计算模型,通过实验验证了利用该模型预测水轮机尾流的准确性,并利用该模型研究了潮流能水轮机在不同叶片数和不同叶尖速比条件下的能量和流动特性。研究结果表明:该数值计算模型在预测尾流速度亏损和湍流强度方面具有较好的精度,尤其在远尾流区,数值计算结果与实验结果保持一致;当叶尖速比(TSR)为4.5左右时,3叶片和4叶片的潮流能水轮机具有相对较高的获能系数,此结果对于水平轴潮流能水轮机的设计具有一定的指导意义。     

应用激面模型潮流能水轮机的数值模拟

为了减少潮流能水轮机模型流场计算所需的网格数并提高透平近尾流区流场的精度,在潮流能水轮机流场数值计算中引入激面模型。通过数值计算获得与实验一致的潮流能水轮机用水翼不同攻角下沿弦长的压力分布,应用二维激面模型模拟攻角为10.8°时水翼周围流场的压力分布与翼型结构模型数值计算结果相吻合。在此基础上将二维激面模型扩展成三维激面模型,分析三叶片潮流能水轮机的水动力性能与近尾流场结构,结果显示:应用三维激面模型计算获得的透平水动力性能与实验结果和激盘模型结果基本一致;在计算域网格数相近的情况下,激面模型获得较激盘模型更详细的潮流能水轮机近尾流场。结果证明了激面模型的优越性,并可应用于潮流能水轮机水动力性能及流场计算。     

风波联合作用下10 MW漂浮式风力机Triple Spar平台动态响应研究

以DTU 10 MW风力机为研究对象,基于Triple Spar平台建立漂浮式风力机整机模型,运用水动力学软件AQWA,通过辐射/绕射理论并结合有限元方法,实现风波联合作用下漂浮式风力机动态响应的求解,并分析其时频响应特性。结果表明:频域分析中,平台纵荡、垂荡和纵摇一阶波浪激振力及其峰值频率和RAO幅频特性曲线趋势及其峰值频率基本不受波浪入射角度改变影响;时域分析中,波浪载荷主要影响平台纵荡、垂荡及纵摇波频处的运动响应,风载荷则加剧了平台低频处的运动响应,引起了平台纵荡-垂荡耦合运动、纵荡-纵摇耦合运动以及和差频运动。     

竖轴潮流能水轮机叶片安装位置研究

将竖轴潮流能水轮机简化为二维形式,以二维机翼非定常运动数值分析方法为基础,构建多机翼非定常运动的边界元法模型,并在此基础上开发竖轴潮流能水轮机结构受力数值预报方法。利用该方法研究竖轴潮流能水轮机叶片安装位置对水轮机叶片、水轮机转子受力的影响规律。研究表明:安装位置靠近叶片翼型可提升水轮机的获能效率,安装位置靠近翼型中部可使叶片、转子的受力减小。     

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。     

摆式振荡水翼的水动力性能分析

基于传统振荡水翼运动模型提出一种适用于垂直轴振荡水翼潮流能发电装置的摆式运动模型,并建立相应的数学模型。利用流体动力学软件Fluent软件建立该运动模型的网格模型,分析翼型NACA0015在不同运动参数下的水动力性能及能量捕获效率,并从水翼在运动过程中攻角的变化和漩涡结构方面分析振荡频率和俯仰振幅对水翼水动力性能的影响。结果表明,在小的振荡频率下,水翼的升沉振幅是影响能量提取效率的主要因素,随着频率的增加,升沉振幅对能量提取效率的影响减弱;在较大的频率下,俯仰振幅对水翼能量提取效率的影响更为明显。在适当的运动参数下,水流动能转化为水翼动能的效率可达30%。     

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.