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水平轴潮流能捕获桨叶的设计与研究

朱斌  
【摘要】:化石能源日趋枯竭,生产、生活对能源的需求日渐增加,替代能源的开发和利用迫在眉睫。潮流能以其清洁、可再生、能量密度大、蕴藏丰富等突出优势逐步被世界所重视,并得到了积极开发。桨叶是水平轴潮流能捕获与发电装置的关键部件,用于将潮流能转化为机械能,其性能的高低直接关系到整个潮流发电装置的能量捕获效率。因此深入研究潮流能捕获桨叶动力学原理与模型,优化设计水平轴潮流能捕获装置桨叶专用翼型,高效捕获潮流能并将其转换为电能,对于优化我国的能源供给结构、缓解沿海地区的能源压力乃至改善生存环境具有深远意义。现有水平轴潮流能捕获桨叶的设计普遍参照风力发电机桨叶的设计模型,所用翼型也多为航空翼型和风力发电机专用翼型。针对这一现状,本文对现有主要流体能量捕获桨叶翼型的动力学特性进行了理论和数字仿真分析,发现在雷诺数不同的流体作用下,不同翼型的桨叶的动力学特性差异很大,风机叶轮流场的雷诺数远大于潮流能捕获桨叶流场的雷诺数,低流速小半径潮流能捕获桨叶升阻比仅为高流速大半径风机桨叶升阻比的40%,但潮流密度约为空气密度的794倍,单位面积潮流动能约为风能的6.35倍。因此,在潮流能捕获桨叶设计时必须充分考虑潮流的冲击作用,否则必然会导致其能量捕获效率的降低。在分析总结现有各种设计理论和方法的基础上,对水平轴潮流能捕获桨叶的流场和受力情况进行了分析,基于叶素动量理论和伯努利原理分别建立了流体绕翼流动作用下的桨叶动力学模型和流体冲击作用下的桨叶动力学模型,综合考虑流体冲击和绕翼型流动分别产生的转矩和轴向力,并引入撞击捕能系数后,耦合得到水平轴潮流能捕获桨叶的动力学模型。该模型在冲击捕能系数为零或冲击作用力与压差升力相比很小可以忽略时,退化成为Glanert桨叶设计模型。现有潮流能捕获桨叶翼型普遍存在弯度小,主要弯曲部分集中在前部,尾部几乎没有弯度等特点,因此不适合冲击捕能,且自启动性能不佳。针对此问题,本文基于水平轴潮流能捕获桨叶的动力学模型,以功率系数Cp最大化为目标,以升力系数不明显减小、阻力系数不明显增加等为约束条件,以Naca6412翼型为原型,对桨叶翼型进行了结构优化。理论分析结果表明尾缘弯度的增加有利于捕获潮流的冲击能量。借助于FLUENT软件工具对优化后的翼型性能进行了数字仿真分析,结果表明优化后的翼型动力学特性满足设计要求。在上述研究的基础上,本文借助Matlab软件设计了理想桨叶最优弦长和扭角,计算出桨叶11个截面的空间坐标;采用三维建模软件UG建立了桨叶的3D模型,通过NC模块生成了数控加工程序,并加工制作出直径为0.5m的叶轮模型;利用实验室现有水槽及实验装置对叶轮模型进行了实验测试。结果表明,综合考虑压差升力与冲击作用力优化设计出的桨叶具有更好的自启动性能和潮流能捕获效率,从而验证了本文所建立的桨叶动力学模型及所提出的桨叶优化设计方法的正确性和有效性。


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