柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究.pdf

中国海洋大学
硕士学位论文
柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究
姓名:赵龙武
申请学位级别:硕士
专业:工程热物理
指导教师:王树杰
20090601
柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究要摘柔性叶片水轮机是一种新型潮流能能获取装置,采用柔性材料作为叶片,柔性叶片适流形变,可充分利用流体的升力效应和阻力效应提取水能,具有较高获能效率,在较低转速下亦具有较好自启动能力,适用流速范围广,同时柔性叶片可适应双向往复来流,竖轴安装能适应各向来流,转子制作简单,叶片安装方便,有广阔的应用前景。但作为一种新型水轮机其流体动力特性有待于深入研究,认知其流体动力里原理,对其性能进行优化研究,以此来获得更高的流体动力性能,为其最终的广泛应用奠定基础。流体数值模拟现已广泛应用于汽车、船舶、航空、水力发电、环境保护等领域,本文从计算流体力学的角度出发对柔性叶片水轮机进行研究,通过数值模拟方法对水轮机的流体性能进行预测,但因柔性材料在流体中存在复杂的流固耦合关系,流固耦合思路、求解方法等都有待于深入研究完善。本文结合扑翼研究、帆翼研究、心脏瓣膜、血管瘤等相关知识,学****探讨了流固耦合的基础知识,讨论了流固耦合的实现方法;对单个柔性叶片在流体中的变形进行了流固耦合分析,得到了不同迎流状态下柔性叶片的形状;在柔性叶片水轮机实验研究的基础上,讨论了柔性叶片水轮机流固耦合数值模拟的方法,提出了简化可行的求解思路,使复杂的柔性叶片转动过程的流固耦合过程求解变得经济可行,并对水轮机的流体动力性能进行了有效的预测。本文主要研究结论有:令实现了柔性叶片在流体中的流固耦合分析,为柔性叶片水轮机的流体动力特性数值模拟提供了基础;夺分析了柔性叶片水轮机数值模拟的实现途径,提出了预测水轮机流体动力性能的简化方法;夺分析了单个柔性叶片转动的流体动力特性,叶片在一个转动周期内主要承受正向转矩,阻力转矩其主导作用。◆分析了尖速比、弧弦比、叶片张角等对水轮机性能的影响,尖速比是水轮机的重要性能参数,可为水轮机发电系统的发电机及电控系统的设计提供参考和依据。关键词:柔性叶片水轮机;流固耦合;计算流体力学:动网格;用户自定义函数
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菖贪话主要符号说明肚水轮机直径水轮机半径水轮机长度柔性叶片径向受力水轮机受流体阻力流体速度流体密度水轮机角速度柔性叶片截面弧线长水轮机转子边长水轮机尖速比获能系数蝪户柔性叶片张角柔性叶片法向受力流体压力水轮机转矩弧弦比转矩系数阻力系数影∞
签字日期:坪乡月莎日签字日期:孪θ朔刁杰学位论文作者签名:墨∥式学位论文作者签名:如使签字日期:≯驯恽钿独创声学位论文版权使用授权书明.≤洼嬉胖被肯嫁方颖鹬泵说模嚎付怪或其他教育机构的学位或证书本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》,并通过网络也不包含未获得了明确的说明并表示谢意。向社会公众提供信息服务。C艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌ㄊ导师签字:
把绷髂芸7⒗孟肿潮流能源于太阳和月球的引力,与波浪、潮汐、太阳、风和生物质能一样,潮流能属于一种可开发利用的自然能源。它与煤炭、石油和核能等常规能源相比,具有无污染和可再生性。潮流的能量储存形式是流体动能,若将潮流能转变为使用方便的电能,需要在海上建立潮流屯站。而运行稳定、可靠、高效的潮流电站,则是集船舶与海洋、机械、自动控制与电力等工程领域先进技术于一体的高新科技产品。因此,潮流能的开发利用属于海洋高技术领域。我国濒临太平洋,海疆辽阔,海岸线长达万多公里,岛屿达余个,潮流能源居世界之首。已有统计资料表明,我国跛篮矫懦绷髂艿睦砺蕴藏量平均功率达胛。其中占全国潮流能总量的%左右集中在浙江舟山海域和杭州湾口,这里水道众多,能量密度高,海况较为平稳,是全国沿岸潮流能开发利用条件最为理想的地方。此外,辽宁、山东、“’。,并取得了较为显著的成果,其中英国年,制造了第一台⑼突镾。年W的开始海上安装施工,现已调试完成,计划解决户家庭用电⋯,如加拿大旧杓浦谱