重叠网格技术下振荡水翼的水动力特性

为研究运动参数对于振荡水翼在潮流中获能效率的影响,给出水翼高获能效率时的运动参数分布规律,提高振荡翼式潮流能发电装置的获能效率。基于重叠网格技术建立了振荡水翼的数值计算模型,并对网格的有效性进行了验证,通过改变水翼的折算频率f*、摆角幅值θ₀、升沉振幅h₀等运动参数,对二维振荡水翼的水动力特性及相应的获能效率进行了研究,分析了涡脱落对水翼运动过程中获能效率的影响;同时研究了双翼之间形成翼地效应时的压力分布,分析了该情况时水翼的水动力特性以及翼地效应对获能效率的影响。结果表明:合理规划振荡水翼的折算频率、摆角幅值、升沉振幅、转轴位置等参数均可以提高水翼的能量捕获效率;水翼在振荡运动过程中,涡脱落的产生将会影响到水翼的获能效率;平行对称双水翼之间的翼地效应会使双翼之间的流域形成高压区,提高水翼升力;增加的升阻比有利于提高水翼的能量捕获效率,在双翼最小间距缩小时,水翼的获能效率会因地面效应作用的增强而提高。     

双水翼耦合振荡捕获潮流能系统2维数值模拟

提出了一种双水翼耦合振荡捕获潮流能的系统,该系统在河床及浅海具有良好的适应性。建立了相应系统的数学模型及网格模型,将域动网格策略用在滑移交界面内部流体域,利用Fluent求解绕2维双振荡翼流动的数值模型。研究了折算频率、俯仰振幅及雷诺数对NACA0015型双水翼水动力特性及捕获潮流能性能的影响,以及在不同运动参数下水翼的升阻力、俯仰力矩、功率系数的变化规律。结果表明,振荡水翼的折算频率、俯仰振幅和雷诺数会影响水翼边界层的分离及周围漩涡的产生和脱落,继而影响振荡翼的升阻力特性和俯仰力矩特性。折算频率与俯仰振幅对振荡水翼系统的捕能效果有较大影响。当水翼的振荡频率为0.28、俯仰振幅为75°、雷诺数为5×10⁵时双水翼耦合振荡捕获潮流能系统的水动力和捕能性能较好,捕能效率可达40%。     

基于平行式振荡翼系统参数耦合分析

采用ANSYS Fluent求解绕二维双振荡翼非定常、不可压缩Navier-Stokes方程,分析水平布置的双水翼捕能系统.为了提高系统的捕能效率及稳定性,通过建立双水翼振荡系统数值及网格模型,综合分析翼型、运动参数(升沉运动参数和俯仰运动参数)以及折算频率对水翼水动力特性及捕能性能的耦合影响,从水翼在运动过程中攻角的变化和漩涡结构方面分析影响系统水动力特性的机理.结果表明:翼型对水翼捕能特性的影响较小;在较小的折算频率下,升沉振幅是影响能量提取效率的主要因素;随着折算频率的增加,升沉振幅对能量提取效率的影响逐渐减弱;在较大的折算频率下,俯仰振幅对能量提取效率的影响更大.在给定的参数条件下,水翼的捕能效率可达43.18%.     

振荡翼改进运动模型的能量捕获性能分析

为了提高振荡水翼的水动力性能和能量捕获效率,基于传统简谐运动模型提出改进运动模型,通过引入俯仰运动系数k,推导改进后俯仰运动规律的一般形式,利用Fluent软件建立水翼的二维模型,综合分析半主动振荡模型下不同俯仰运动系数、折算频率和俯仰振幅等运动参数对水翼能量捕获性能的影响。结果表明:与传统简谐运动模型相比,改进运动模型能够使水翼升力系数在较长时间段内维持较大数值,提高水翼的升力系数和捕能效率;在相同的折算频率和俯仰振幅下,减小俯仰运动系数会增大俯仰角转动的角速度,进而增大俯仰运动所消耗的能量;不同俯仰振幅下对应不同的最优折算频率,折算频率越低水翼的捕能性能越不稳定,俯仰振幅越大,转动俯仰角所消耗的能量越多。在给定参数条件下,水翼的能量转化效率可超过40%。     

振荡翼改进运动模型的能量捕获性能分析

为了提高振荡水翼的水动力性能和能量捕获效率,基于传统简谐运动模型提出改进运动模型,通过引入俯仰运动系数k,推导改进后俯仰运动规律的一般形式,利用Fluent软件建立水翼的二维模型,综合分析半主动振荡模型下不同俯仰运动系数、折算频率和俯仰振幅等运动参数对水翼能量捕获性能的影响。结果表明:与传统简谐运动模型相比,改进运动模型能够使水翼升力系数在较长时间段内维持较大数值,提高水翼的升力系数和捕能效率;在相同的折算频率和俯仰振幅下,减小俯仰运动系数会增大俯仰角转动的角速度,进而增大俯仰运动所消耗的能量;不同俯仰振幅下对应不同的最优折算频率,折算频率越低水翼的捕能性能越不稳定,俯仰振幅越大,转动俯仰角所消耗的能量越多。在给定参数条件下,水翼的能量转化效率可超过40%。     

水翼振荡运动捕获潮流能的机理研究

为了揭示水翼发生振荡运动而捕获潮流能的机理,根据流体力学的基本理论,建立水翼振荡运动的模型.利用商用软件ANSYS Fluent对水翼的运动过程进行数值模拟,分析水翼运动对周围流场的影响,讨论水翼的运动参量、尺度参数等对水翼的水动力特性和能量捕获性能的影响规律,获得水翼在流体作用下的动力响应特性.结果表明：水翼的捕能总效率随运动参量变化的过程存在拐点,将水翼的运行参数设置在最高效率点对应的参数下,能够减小瞬时升力系数、瞬时阻力系数、瞬时功率系数各系数曲线的振荡突变现象,但该参数设置下的水翼功率输出未必能够达到最大;升沉运动捕获的能量与水翼厚度呈正相关,俯仰运动捕获的能量与水翼厚度呈负相关;水翼几何参数对水翼工作性能的影响程度与流体黏性的影响密切相关.     

Π型竖轴双转子水轮机纵荡水动力特性研究

为提高潮流能装置发电功率及可靠性,加快潮流能开发利用,本文提出了一种Π型竖轴双转子水轮机的设计,并对Π型竖轴双转子水轮机的纵荡运动特性进行了研究。基于CFD方法,通过将水轮机旋转运动与振荡运动相结合的方法模拟水轮机的纵荡运动,对竖轴双转子水轮机在不同振荡频率、振荡幅值及叶尖速比下的纵荡运动进行模拟计算,同时与均匀流无振荡工况下的水轮机作对比,分别对振荡运动下双转子水轮机受力、获能效率及流场的变化特征进行分析。研究结果表明:双转子并列布置可提高水轮机获能效率、纵荡幅值及频率对平均获能效率影响较小。纵荡下双转子水轮机所受推力及侧向力的波动较大,且推力及侧向力波动幅值与振幅及振荡频率成正比。振荡频率影响泄涡频率,振荡幅值影响尾涡区长度。     

被动式拍动翼轮机的能量采集性能实验研究

为了研究拍动翼轮机的能量采集性能,本文设计一种被动式拍动翼风能、潮流能捕获装置。通过在机翼转轴和连杆之间加装转角放大齿轮机构来优化转角幅度,并测试分析流速与斯特劳哈尔数St的变化对拍动翼的能量采集性能的影响。实验表明相同斯特劳哈尔数下能量捕获功率大致与流速的立方成正比;而流速对能量捕获效率η影响较小;随着斯特劳哈尔数的增大,能量捕获效率先升高后降低,当St=0.2时能量采集捕获达到最高26%。通过数值方法模拟拍动翼的非定常运动,计算结果与实验值吻合较好;当St0.2时过大的有效攻角引起动态失速,造成效率降低。     

复合式波浪能捕获机构设计研究

本文介绍了一种同时捕获沿水平和垂直方向的复合波浪能捕获装置,在现有的振荡浮子波能捕获模型和摆式波能捕获模型基础上,初步建立了复合式波能捕获装置的理论模型,并作了初步的结构模型设计,进行了能量捕获影响因素的初步分析。     

尾缘襟翼振荡水翼的水动力特性

为了提高振荡水翼的能量提取效率,提出一种带尾缘襟翼的振荡水翼结构,在传统水翼的后端加装尾缘襟翼,利用尾缘襟翼的摆动达到提高功率的目的。建立襟翼摆动的运动方程并对等效攻角方程进行推导。利用CFD软件中的动态和移动网格技术对模型进行数值模拟。仿真结果显示,尾缘襟翼结构增加水翼翼型的拱度,使水翼的攻角增加,进而增加振荡水翼的升力系数和时均功率系数。推导的等效攻角公式与模拟结果一致,等效攻角公式能够较好的预示模拟结果。尾缘襟翼的摆动负功在整个振荡水翼采集功率中占的比例很小。     

尾缘襟翼振荡水翼的水动力特性

为了提高振荡水翼的能量提取效率,提出一种带尾缘襟翼的振荡水翼结构,在传统水翼的后端加装尾缘襟翼,利用尾缘襟翼的摆动达到提高功率的目的。建立襟翼摆动的运动方程并对等效攻角方程进行推导。利用CFD软件中的动态和移动网格技术对模型进行数值模拟。仿真结果显示,尾缘襟翼结构增加水翼翼型的拱度,使水翼的攻角增加,进而增加振荡水翼的升力系数和时均功率系数。推导的等效攻角公式与模拟结果一致,等效攻角公式能够较好的预示模拟结果。尾缘襟翼的摆动负功在整个振荡水翼采集功率中占的比例很小。     

被动式摆动水翼潮流能量获取技术实验研究

针对传统的旋转叶片式水轮机在潮流能量获取过程中存在的问题,提出一种模仿水中生物尾部摆动的被动式摆动水翼潮流能量获取技术。在分析水翼的运动规律和功率系数、效率、折算频率等各参数之间关系的基础上,设计了被动式摆动水翼潮流能量获取实验装置;在三套正反向曲柄摇杆机构的作用下,被动式摆动水翼实现了两自由度周期循环,利用飞轮克服曲柄摇杆机构运动中存在的死点问题,利用扭矩传感器实现了输出轴的转速信号和转矩信号提取;循环水槽环境下完成了被动式摆动水翼能量获取实验,实验结果表明利用被动式摆动水翼能够进行潮流能量获取,当折算频率为0.096时,最高能量获取效率达到18%。     

应用Realizable k-ε湍流模型的振荡水翼绕流数值模拟研究

采用计算流体力学软件Fluent提供的Realizable k-ε湍流模型计算了振荡水翼的绕流问题,利用有限体积法求解雷诺平均N-S方程,空间离散应用二阶迎风格式,速度—压力耦合格式为SIMPLEC格式;为了验证该数值格式及湍流模型,计算了文献中的算例并做了对比;考察了不同参数对振荡水翼周围流场及受力特征的影响,研究表明在一定水翼攻角条件下,水翼振幅及振荡频率均对振荡水翼的涡结构产生发展及其受力特征具有明显的影响.     

振荡翼捕获能量系统的流体动力性能

采用Fluent求解绕二维振荡翼层流流场的非定常、不可压缩Navier-Stokes方程,将域动网格策略用在滑移交界面内流体域,使之与翼一起运动,该方法可保证核心区域网格质量。研究了Re=1100、θ0=76.33°、y0=5、k=0.88时,俯仰轴位置对NACA0015振荡翼气动特性和能量捕获性能的影响,以及升沉--俯仰相位差和俯仰轴位置对系统的耦合影响。结果表明,俯仰轴位置会影响振荡翼的升力特性、俯仰力矩特性及能量捕获性能,当系统因俯仰轴位置偏离平均压力中心而造成能量捕获性能下降时,改变升沉--俯仰相位差可改善系统的能量捕获性能。     

弹簧刚度对嵌入式振荡水柱波能装置水动力性能的影响

提出嵌入方箱式防波堤的垂荡式振荡水柱（OWC）波能装置,利用开源计算流体动力学库OpenFOAM及工具箱waves2foam,对该波能装置的能量转换效率和水动力特性开展数值研究.采用流体体积法（VOF）捕捉气液界面,利用Rigid-Body Dynamic网格技术求解垂荡运动.在不同入射波频下,探究垂直线性弹簧约束（用无量纲弹簧刚度表示）对OWC波能装置的波能转换效率、反射系数、透射系数、能量耗散系数、相对压降、有效相对振荡幅度和相位差等的影响.结果表明,结构物适当的垂荡运动有利于提升OWC装置在特定频率条件下的波能转换效率;振荡水柱和结构物间的运动相位差是决定能量转换效率的关键因素;为了提升能量转换效率,调节结构物的垂荡运动来控制相位差的措施是可行的.     

二维垂直轴水轮机强迫振荡水动力性能分析

潮流能水轮机水动力主要和叶片的相对运动速度有关,为了探讨实际海况条件下,漂浮式立轴水轮机水动力特性与波浪及水轮机的波浪运动响应之间的关系,采用水轮机旋转运动与强迫振荡运动的组合模拟立轴水轮机的纵荡和横荡运动,并用CFX软件对均匀来流中二维水轮机强迫振荡时的流场和水动力特性进行了分析,阐明了不同振荡圆频率、幅值、速比等参数对水轮机水动力的影响规律。研究表明:与水轮机在均匀来流环境中仅做旋转运动相比,横荡使水轮机产生类似卡门涡街的尾迹,纵荡使尾涡间距发生疏密变化;同时水轮机载荷瞬时值的峰值产生较大波动,峰值包络线的波动频率为水轮机振荡频率,在小振幅情况下,包络线波动幅值和水轮机振荡速度的振幅成线性关系。     

波翼相位差对柔性翼水动力性能的影响

以仿生推进系统利用波浪能为背景,研究了波翼相位差对规则波下近波面二维柔性拍动翼的推进性能的影响。采用求解RANS方程的方法,计算了不同波翼相位差下柔性翼的水动力性能,并与无波情况下及相同工况下刚性翼结果进行比较。计算结果显示:波翼相位差对翼水动力系数的相位、幅值有影响,恰当波翼相位差下,柔性翼能有效利用波浪能增加自身推力及效率,且其对波浪能的利用能力高于刚性翼。尾涡分析表明,恰当的波翼相位差能够提高柔性翼尾涡梯度及其连续性,从而提高波面下柔性翼推力及效率。     

流体谐振型时均流诱导声振荡二维数值模拟

针对时均流通过十字型深腔结构时产生的"流体谐振型"声振荡现象,采用大涡模拟方法进行数值模拟研究.发现动态Smagorinsky-Lilly模型和壁面自适应局部涡黏模型均能较好描述振荡频率和压力振幅随时均流速的变化规律,但后者对雷诺应力预测不足.计算结果表明,在支管内会形成典型的驻波声场,并随着流速的变化表现出不同的水力模态和声学模态特征.在此基础上,揭示流体谐振型时均流诱导声振荡的发生机理:驻波声场影响涡结构的脱落以及运动轨迹,而涡结构在运动过程中向谐振腔内的声场输出能量,完成两者的耦合作用.     

排桩式波浪能发电装置附近流场特性研究

基于雷诺时均Navier-Stokes方程和k?ω湍流模型,研究单排桩式振荡水柱式波浪能发电装置在规则波作用下的桩基附近流场特性. 通过物理模型实验验证所建数值波浪水槽的准确性. 模拟规则波作用下装置附近的流场特性,分析装置附近的涡特征以及其对装置附近泥沙冲刷情况的潜在影响. 结果表明,测试工况下,在桩式振荡水柱装置桩柱体的桩基附近观察到马蹄涡和尾涡现象,马蹄涡强度随着Keulegan–Carpenter（KC）数的增大而减小,尾涡强度随着KC数的增大而增大. 马蹄涡因强度过小,在模拟的KC数范围内不是装置桩基泥沙冲刷的主要因素,高强度的尾涡很可能成为装置桩基附近泥沙起动、输运和冲刷的重要影响因素.     

全被动式海流能量采集系统水动力学机理

采用计算流体力学方法研究基于振荡水翼的海流能量采集系统.该系统包含俯仰与升沉两自由度运动,升沉方向包含阻尼器,俯仰方向包含扭转弹簧,基于流致振荡的原理在均匀来流中形成周期性的能量采集状态.提出该能量采集系统的目的是为了缓解传统采集方式对海洋环境的破坏.在传统的基于旋转叶片的水轮机海流能量采集器中,高速旋转的叶片在叶尖形成高速流动,由此产生的噪音及高速流影响了海洋鱼类的迁徙.对转轴位置与弹簧刚度这2个参数进行研究.结果表明,在(b,kα)相空间中存在4种基本工作状态：1）水翼随着时间演化回到初始状态|2）周期性的俯仰与升沉运动|3）在0°角附近小幅度俯仰振荡而升沉方向沿某一方向漂移|4）由于不规则振荡及升沉方向的大位移,计算发散.其他结论包括：1）最大能量采集效率接近20%|2）与前人研究相比,能够在更大的参数范围内采集到稳定能量.