直线发电机在流致振动潮流能发电装置中的应用研究

研制直线发电机,并与流致振动潮流能转换装置相结合,探索直线发电机在流致振动潮流能发电领域的应用可行性。通过理论分析推导出流致振动潮流能发电装置的有效发电功率,建立能量转换系统数学模型,在振子直径D为0.12 m、系统刚度k为600 N/m、流速v为0.50～0.75 m/s工况下计算该装置的振子振幅、频率及发电功率,并在相同工况下进行流致振动潮流能发电装置的水槽试验,试验结果与数值仿真结果的变化趋势基本吻合。     

永磁悬浮支撑的刚性圆柱振子流致振动幅频特性分析

将永磁悬浮支撑与流致振动潮流能转换装置相结合,探索永磁悬浮支撑结构作为弹簧在流致振动潮流能发电领域的应用可行性。为了对比永磁弹簧与金属弹簧所提供恢复力对刚性圆柱振子流致振动的影响,通过ANSYS Maxwell软件计算得到永磁弹簧的磁力,拟合出永磁弹簧的弹性恢复力曲线方程,将弹性恢复力曲线方程代入Star-CCM+计算出刚性圆柱振子在不同流速下的幅频特性,然后将计算结果与金属弹簧系统进行比较。结果显示永磁弹簧支撑振子流致振动幅频特性与金属弹簧的相似,在上端分支能达到最大振幅比,频率随着流速增加总体呈增加趋势。但在计算流速区间内,永磁弹簧支撑振子的振幅比与频率都比金属弹簧支撑振子大,振动性能更优。     

单自由度串列双圆柱协同作用下的流致振动试验研究

为揭示不同间距比(L/D)下串列双圆柱协同作用下的振动特性,采用自循环水槽对等直径协同运动的单自由度串列双圆柱进行了流致振动试验研究。试验所采用的串列双圆柱间距比L/D范围为1~5,雷诺数Re范围1×10~4~4×10~4,串列双圆柱质量比均为1.95。结果表明,L/D=1时,在试验Re范围内串列双圆柱产生较小幅度的振动;L/D=2时,串列双圆柱的振幅比A*在VIV上端分支初始段有陡降现象,其后随Re的增大,振幅持续增大同时频率开始下降,但测试范围内并未出现显著的驰振特征;L/D=3~5时,串列双圆柱随间距比L/D的增加,上游圆柱脱涡对下游圆柱的影响减弱,突显出单圆柱的"自限制"涡激振动特点。     

二维串列双圆柱层流对流传热的数值分析

基于流场分析软件,结合UDF编程技术和动态网格技术,分别对二维串列放置的静止和振动的双圆柱在不同间距比时的对流传热特性进行了仿真分析.结果表明:二维串列双圆柱对流传热时,静止和振动条件下的间距比均存在一个临界值3.5,小于该临界值时,传热较弱,大于该临界值时,传热增强且随间距比的变化波动较小.在相同间距比下,振动时圆柱面平均Nu明显增大,对流传热能力显著提高.在不同间距比下,二维串列双圆柱绕流时,速度场和温度梯度场之间的协同程度不同,双圆柱的振动使场协同进一步得到改善,从而提高了双圆柱的对流传热能力.     

质量比对圆柱体流致振动能量捕获效率的影响

结合结构振动方程和非线性流体振子方程得到耦合模型并进一步得到能量捕获效率计算公式,根据Stappenbelt的实验设置对双自由度的圆柱体流致振动进行数值模拟,分析不同质量比在低阻尼比条件下的振动响应,发现随质量比增加,顺流向和横向的振幅均减小。对无量纲振幅比的分析表明,阻尼比大于0.1时,不同质量比下的顺流向振动比横向振动更小,可忽略。能量捕获效率分析结果指出低质量比条件具有较高的捕获效率,对比不同阻尼比条件发现,在阻尼比为0.05且质量比最低时出现最高的捕获效率38%。     

涡激振动驱动的柱群结构集中俘获海流能研究

采用一种结合串列、并列和错列布置的耦合连接五圆柱柱群结构为能量转换器,在不同间距比不同约化速度下,以流固双向耦合数值算法对其进行涡激振动模拟和计算分析。通过对比相同参数条件下单圆柱俘能结构的结果,获得柱群俘能结构集中俘获低速海流能的初步理论。结果显示:在产生共振的约化速度范围内,较大间距比下的柱群俘能结构其振幅和各圆柱压力分布特征与单圆柱俘能结构相似;总升力谱峰值约为单圆柱的3倍;从俘能大小来看,相同约化速度下俘获的水动能P达到单圆柱的4～5倍。研究结果说明共振范围内,柱群俘能结构在较大组合间距比时可集中俘获低速海流能。     

基于修正湍流模型的致动盘方法研究

针对现有致动盘模型高估尾流速度的问题,对动量源项进行修正,以正确反映风轮对来流的作用;对湍流模型进行修正,在标准k-ε方程中添加湍流动能源项和耗散率源项,使湍流动能的生成和耗散相互协调;修正耗散率源项系数,使其沿径向服从抛物线分布。选取风洞实验数据对模型进行验证,并对串列和错列排布下的尾流流场进行分析。结果表明:串列排布时尾流的速度损失和湍流强度均增加,并随间距的增大而减小;错列排布对尾流湍流强度的影响大于对速度的影响,下游尾流会出现湍流强度不对称现象,横向间距为1D时最为严重,横向间距为4D时仍可观察到不对称现象。     

不同涡流发生器参数对潮流能水轮机翼型水动力学特性影响研究

将涡流发生器（VGs）流动控制理论引入到水轮机叶片设计领域,开展涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离效应的抑制机理及水动力学特性研究。以NACA4418翼型为研究对象,分别建立基础翼型段和带VGs翼型段的潮流能水轮机翼型三维模型,应用CFD方法研究不同VGs排布方式、间距、高度以及长度参数对翼型段水动力性能的影响。结果表明：翼型段上安装VGs能有效减缓流动分离,合理的VGs排布方式可有效提高翼型的最大升力系数,正向排布优于反向排布,VGs间距为25 mm、高度为5 mm、长度为17 mm时对翼型段改善效果最佳,各组带VGs翼型最大阻力系数都增大约5%,翼型整体性能上升。利用水槽试验的方法验证仿真模型的准确性。此外,通过对翼型段进行二维流场分布以及VGs背流侧进行静压分布研究,进一步揭示VGs的作用机理。     

水平轴潮流水轮机转轮尾流特性数值分析

针对潮流水轮机转轮尾流对机组之间水力性能的干扰问题,利用CFD分析软件Fluent对单个水平轴潮流水轮机转轮模型和10倍转轮直径间距下的两台机组模型在额定流速条件下进行三维流场的数值模拟。结果表明,在水轮机转轮旋转平面内不同半径位置处的尾流流速恢复情况明显不同,离旋转轴线越远,尾流流速恢复越快,其流速亏损也越少;当水轮机组之间串列布置,且来流方向与旋转平面垂直情况下,下游机组运行受上游机组转轮的尾流影响较大,应尽量避免该布置方式。     

直驱式波能装置振动及转换效率分析

波浪能利用装置一般是利用振动来获取波浪能量,如鸭式装置、点吸收式装置。点吸收技术是世界上目前研究得比较热门的一类波浪能利用技术,漂浮直驱式波能装置是点吸收技术的一种。文章首先通过物理过程分析,把由双圆柱浮体构成的漂浮直驱式波浪能装置当成一个双自由度振动系统,建立系统振动方程;然后,运用势流理论求解由双圆柱浮体的垂荡辐射问题和绕射问题,求解出振动分析所需要的水动力学参数。考虑波浪能装置通过粘性阻尼吸收波浪能,利用求得的水动力学参数,设定的外部阻尼和弹簧弹性系数,可求解出此情况下水面浮体和水下浮体的相对运动幅值,进而求得装置的转换效率。给定模型尺寸参数,在一些确定的外部阻尼值和弹簧弹性系数点,分别通过变化外部阻尼和弹簧弹性系数,分析装置的振动特性以及转换效率的变化,从而在不同波况下选择适合装置的外部阻尼系数和弹簧弹性系数。     

潮流能水轮机阵列方式与其产能关系研究

潮流能资源的商业化开发,一般通过潮流能水轮机组成阵列来实现,因此,需要考察潮流能水轮机的阵列方式与其产能的关系。文章基于Delft 3D-Flow软件建立了青岛斋堂岛及其附近水域的三维水动力模型。经TSE方法选取阵列在目标水域的放置位置后,采用动量损失的方法将潮流能水轮机对流场的影响进行等效,研究不同阵列排布方式下的实际产能。研究结果表明:在单位面积的潮流场中,当阵列中的水轮机间距小于一定值时,通过缩小间距来增加阵列中水轮机的数量对阵列的整体产能提升不大;增加阵列中的水轮机间距可提高单台水轮机的平均产能,但是,当间距大于一定值时,继续增加间距,单台水轮机的产能变化并不显著。     

潮流能水平轴水轮机振动位移时间序列的自相似性研究

为了研究潮流能水平轴水轮机振动位移时间序列的自相似性,文章在不同的波流共同作用下对20kW潮流能水平轴水轮机进行数值模拟和波浪水槽试验,并将数值模拟与试验结果利用分形维数的方法计算得到Hurst指数,再由Hurst指数判断上述位移时间序列是否具有自相似性。数值模拟和试验结果表明:潮流能水轮机振动位移时间序列具有自相似特征,为采用自相似理论研究潮流能水轮机的动态特性奠定了数学基础,所揭示的时间序列整体与局部之间的关系及其自相似性为潮流能水轮机的故障诊断提供了技术支撑。     

不同交错排布对潮流能垂直轴水轮机性能的影响

为了优化潮流能垂直轴水轮机排布方案,采用计算流体动力学(CFD)方法得到双水轮机在不同轴间距H、不同相对位置角(RPA)β及前后排水轮机不同尖速比λ下平均功率系数CP变化规律,分析流场的速度和涡量云图,解释变化机理.同时,对比单、双水轮机尾流速度分布情况,探究双水轮机尾流特性.结果表明:后排水轮机处于前排水轮机尾流区内...     

波能利用型圆筒透空堤水动力特性实验研究

将波能装置与防波堤等海洋结构物相结合,将有助于提升其经济性,促进其应用。以一定间距平行排布多个圆筒振荡水柱装置（OWC）形成波能利用型圆筒透空堤,并基于二维波浪水槽物理模型实验对其水动力特性展开研究,重点关注筒间距、OWC吃水、波高对于波浪防护和波能转换的影响规律。结果表明：圆筒较为紧密排布时,高效波能转换的波频范围显著拓宽;较浅OWC吃水在获得近似波浪防护效果的同时波能转换性能更佳;波浪防护效果及波能转换性能受波高影响较小。波能利用型圆筒透空堤在实际应用时,应采用较小的筒间距和OWC吃水,以同时兼顾较好的波浪防护效果和波能转换性能。     

水平轴潮流涡轮池壁效应修正方法分析

通过数值仿真与模型试验的方式分析池壁效应对水平轴潮流涡轮水动力性能的影响。通过总结公开发表文献中池壁效应修正方法,获取不同流域以及来流流速下5种池壁效应的修正结果,并与无限流域下水平轴潮流涡轮的能量转换效率以及阻力系数进行对比,进而获得可准确预估无限流域下水平轴潮流涡轮水动力性能的池壁效应修正方法。结果表明：池壁效应会对潮流涡轮的水动力性能产生较为明显的影响,受限流域下潮流涡轮能量转换效率以及阻力系数高于无限流域下的结果,且池壁效应对潮流涡轮的能量转换效率的影响伴随尖速比的增加呈逐渐增大的趋势。受阻塞因子与尖速比的影响,不同池壁效应修正方法的预估精度不同;其中,Pope-Harper以及Bahaj这2种池壁效应修正结果在不同来流流速、阻塞因子以及尖速比下与无限流域下潮流涡轮的水动力性能吻合良好。     

低雷诺数下二自由度圆柱涡激振动时的流动和传热

采用数值方法研究了低雷诺数下流体扰流圆柱发生涡激振动时流体的流动、圆柱的振动及流体与圆柱之间的传热特性。采用有限体积法求解Navier-Stokes方程获得流场,同时采用四阶龙格-库塔算法求解圆柱的运动特性,分析了不同雷诺数和折合速度U_r对二自由度圆柱涡激振动及其传热的影响。结果表明：在不同折合速度下圆柱振动会呈现“8”形运动轨迹,涡脱落模式为“2S”;圆柱涡激振动时传热强弱受自身涡脱落频率和振动幅度的影响;对于二自由度涡激振动圆柱,当U_r=4时圆柱涡脱落频率最接近圆柱的固有频率,圆柱振动剧烈,振动幅度大,同时传热最强,且二自由度涡激振动圆柱的时间平均努塞尔数明显大于一自由度圆柱。     

开式热源塔在热泵系统中的应用分析

采用氢气泡技术并结合高速摄像技术,对双圆柱绕流进行可视化实验研究。实验结果分析表明,来流对称、流速一定的情况下,间距比的改变将出现偏流。随着间距的减小,偏流现象更加明显,且流动的偏向是随机的。改变圆柱位置使来流方向与两圆柱连心线平行,当间距比为1．5时,两圆柱的流动相当于一个钝体的绕流,且前后圆柱均有对称涡出现。当间距比增大到一定值时,前排对后排的扰动将消失,此时涡脱落比较显著。这些结论可对换热器中又排、顺排管间距的布置提供参考。     

不同时间尺度随机来流对涡振非线性动力学的影响

基于耦合尾流振子的单自由度非线性圆柱涡振模型,开展了不同时间尺度随机来流下圆柱横向涡振的数值研究。分别建模实现具有不同长短时间尺度特征的随机来流,并计算得到涡振横向位移响应时间序列,利用相空间重构和李亚普诺夫指数对位移响应进行非线性特征分析。结果表明：两种来流下系统均出现噪声诱导间歇性现象,短时随机来流下出现“突发型”间歇,而长时随机来流下表现为“开-关型”间歇。     

梯形转叶螺旋流消能装置消能过程的数值模拟分析

为了从微观角度探究梯形转叶螺旋流消能装置的消能机理、验证其结构设计的合理性及不同参数对装置消能效果的影响,基于试验研究,运用Fluent软件进行三维螺旋流数值模拟。结果表明,数值模拟显示的消能机理与试验结果相吻合;装置消能的主力区在转叶孔板组合后,且装置的结构设计合理;转叶螺旋流消能装置的消能效果优于同类孔板射流装置的消能效果;在一定条件下,装置的消能效率与雷诺数和扭转角度均呈正比,而与开口角度呈反比。该结论为梯形转叶螺旋流消能装置的消能过程研究提供了依据,也为其结构优化和实际应用提供了理论支持。     

深层隧道竖井流激振动响应分析

针对某深隧工程中竖井结构因受水流脉动压力产生的流激振动响应问题,采用物理模型-数值计算联合方法构建竖井消能工三维有限元模型,通过对竖井消能工的流固耦合有限元计算,得出竖井消能工在不同流量工况下的自振特性,将试验测得脉动压力进行频谱分析得到优势频率,并与自振特性进行对比分析;采用随机振动法算出水流脉动压力作用下的动力响应,通过对比不同厚度的消能工台阶动力响应结果确定最优尺寸。结果表明,推荐方案竖井体型与水流发生共振的可能性不大,且振动量微小,因此从经济角度可考虑适当减小消能工台阶厚度。