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水平轴潮流能发电装置基础冲刷及支撑结构的优化设计

乔永喜  
【摘要】:为了解决能源短缺的现状,潮流能发电越来越受到人们的重视,座海底式潮流能发电装置的支撑结构的研究,有重要的理论意义和工程应用价值。对潮流能发电装置进行CFD计算流体动力学分析,模拟计算潮流载荷。在强潮流环境中,研究基础结构的冲刷很有必要,在涨落潮两种工况下,对基础冲刷进行数值模拟,研究冲刷分布规律。此外,利用冲刷研究的结论,进行冲刷防护的分析和数值模拟。为了提高设计水平和减少工程成本,对支撑结构进行优化设计,在满足设计要求的情况下,得到最优的设计参数。本文研究内容和结论如下: 分析机组所处的潮流和波浪等环境条件,并通过计算公式推导水轮机运行参数。建立潮流能发电装置整体结构的CAD模型,对整体结构进行涨落潮两种工况的CFD分析,为基础冲刷研究以及结构优化设计奠定基础。 本文对工程海域的地质条件进行分析,通过经验公式分析基础周围可能的最大平衡冲刷深度,然后在涨落潮两种情况下,进行CFD数值模拟。通过模拟可得到基础周围流速矢量分布、动压力分布以及剪切应力分布,研究冲刷区强弱分布规律。研究各种现有冲刷防护方法和理论,指出它们的使用条件,设计适合本文实际情况的冲刷防护方案,然后对加冲刷防护结构后的冲刷流场进行数值模拟,结果证明了防护措施的有效性。 本文在AWE中进行支撑结构的参数化建模,选取合适的数学模型,设定多个设计变量。考虑到强度、刚度、振动特性、稳定性、总质量等因素,在AWE中对支撑结构进行多目标优化。借助AWE/DX优化模块,利用DOE算法进行迭代计算,可以得到优化后的变量数据库,按照优化目标,从数据库中选择出最优化的变量参数。优化前后的变量数据对比发现,支撑结构的总质量得到有效降低,并且其它目标变量也符合设计要求。本文研究工作为工程和进一步研究提供借鉴,有重要的学术和实际意义。


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