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竖轴叶轮的流体动力分析与性能优化方法的改进与应用

姜劲  
【摘要】:风能与潮流能开发利用一直是新能源领域的研究热点,我国风能与潮流能储量丰富,开发利用价值巨大。竖轴叶轮以其结构形式简单、叶片制造与整机维护方便的特点成为特别适合海岛经济体的主要能源补给。 由于竖轴轮机叶片在旋转过程中产生的流场十分复杂,它的流体动力特性直接决定了轮机的能量转换效率与叶片载荷,因此发展行之有效的竖轴轮机的流体性能预报、载荷分析及工程设计优化方法,用于研究该类轮机的性能与流场形成机理,提高轮机的能量利用率,指导工程实践有重要意义。 本文以国家科技支撑计划“150KW潮流能电站关键技术研究与示范”项目为背景,以风能与潮流能开发利用中的竖轴轮机为研究对象,旨在研究该类轮机的流体性能预报、载荷分析与性能优化方法。 论文第一章介绍了当前国内外主流竖轴发电装置的基本原理与结构形式、竖轴叶轮的流体动力分析与优化方法的研究进展;第二章建立了竖轴轮机转子的运动学和动力学,阐述了轮机的工作原理,统一定义了轮机几何学、运动学与动力学参数,简要分析了速比与叶片偏角对轮机能量利用律的影响;第三章首先建立了基于动量定理的流管模型,并将计算结果与公开发表的竖轴风机和课题组研制并测试的潮流能水轮机实验数据进行了对比,指出了流管模型的适用范围与缺陷,接着对轮机能量利用率曲线在动态失速区和第二效应区做了相应的修正,最后建立了湍流风下的流管模型,对叶片载荷的时间历程进行了模拟;第四章以机翼尾缘上下表面存在压力差的Kutta条件结合漩涡理论在前人工作基础上发展了有限涡模型,用于计算多叶片非定常运动的机翼受力,分析了涡与叶片干扰的机理,通过机翼做突然启动、升沉俯仰等典型运动的算例,分析了新生涡参数、涡核半径、尾涡合并的方式、涡与叶片碰撞等因素对计算结果造成的影响,捕捉了叶片做中高频率升沉运动产生Knoller-Betz效应时的非线性尾涡结构;第五章使用有限涡方法对固定偏角型轮机和变偏角型轮机进行了载荷预报,通过计算结果和模型试验结果的对比,证明了该方法具有较好的精度,然后以课题组模型试验的轮机为原型,详细分析了速比、叶片安装角、密实度等参数对固定偏角型轮机的流体特性的影响,最后通过摆线式变偏角轮机算例指出通过改变叶片在运行过程中的偏角可以提高能量利用律,减少叶片载荷波动幅值;因此第六章提出了定速比下使能量利用率达到最大的最优叶片偏角问题,采用了遗传算法进行求解,给出了不同速比下的叶片最优偏角变化规律,经过粘性CFD方法的验证,给出的偏角变化规律能使整个速比下的能量利用率提高了30%。


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