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《哈尔滨工程大学》 2017年
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悬臂式潮流能垂直轴水轮机叶片流固耦合研究

章丽骏  
【摘要】:随着化石燃料的逐渐枯竭与环境的日益恶化,海洋可再生能源逐渐引起了世界各国的关注。潮流能作为海洋能中的一种,成为了海洋工程与能源领域中新的热点。水轮机是一种主要的潮流能转换装置,随着技术的发展以及效益的需求,水轮机逐步走向大型化,这就必然会带来结构变形及破坏等一系列研究问题。本文基于粘性流体力学理论及结构有限元理论,针对悬臂式潮流能垂直轴水轮机叶片,采用单、双向流-固耦合的方法,研究其水动力性能和结构性能;并基于复合材料力学相关理论,对叶片内部结构以及外部蒙皮进行了复合材料铺层方式进行了简单的优化设计。通过本文的研究,为悬臂式垂直轴叶轮各项性能的预测及叶片设计提供了一定的参考。本文主要开展了以下几方面的研究。基于CFD数值模拟方法,对悬臂式垂直轴水轮机叶轮进行了系统的水动力性能计算分析,得出了其水动力性能随速比的一系列变化规律。利用有限元理论对均质叶片进行了结构静强度、瞬态动力学、模态以及疲劳分析,得出了悬臂式叶片在空气中以及水中的一些结构强度数据。在CFD数值模拟的基础上,基于结构有限元理论,采用单、双向流-固耦合的方法,分析潮流能水轮机的水动力性能及结构性能和其耦合规律,通过对比分析探讨了两种耦合方法在立轴悬臂叶轮各性能计算上的优缺点。并通过双向流-固耦合分析,探讨了叶片材料属性、水轮机速比等对叶片水动力性能以及结构性能的影响,并针对部分速比及材料对叶片在运行中一个周期内的形变以及应力变化等进行了具体探讨。根据流-固耦合所得数据,基于复合材料力学相关理论,对叶片内部结构以及复合材料铺层方式进行设计,并再次对其进行流-固耦合计算,以验证其对水轮机水动力与结构性能的影响,确保其拥有较优的水动力性能以及可靠的结构强度。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P743.1;TK730.1

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