水平轴潮流能水轮机实验方法发展现状

潮流能可预测性强、能量密度大,具有广阔的开发前景。水平轴潮流能水轮机是发电效率最高的潮流能装置,世界各国对水平轴潮流能水轮机进行了大量实验研究。本文阐述了国内外水平轴潮流能水轮机的实验方法,包括实验设施、实验模型、实验平台和测量方法;并从均匀流和复杂环境两个方面对水平轴水轮机的模型实验现状进行总结和评价;分析目前水平轴潮流水轮机模型实验中存在的不足,并对未来的水轮机模型实验提出了一些建议,这对潮流能的开发具有重要意义。

基于规定性能方法的海上浮式风机独立变桨控制

针对复杂海洋环境的干扰问题和海上浮式风机本身结构的强非线性、时变性问题,本文提出一种有限时间规定性能方法,保持浮式风机输出功率稳定,并减小风机结构载荷。有限时间规定性能引入收敛的性能函数来约束功率的波动,可以良好的适应浮式风机高度非线性系统,并且不需要精确的系统动力学模型。把该方法应用于统一变桨和独立变桨控制实现了功率调节、平台俯仰运动控制和叶片疲劳载荷的降低。在FAST上进行仿真试验验证该方法具有良好的性能。

池壁效应对水平轴潮流涡轮水动力性能影响分析

为了分析池壁效应对水平轴潮流涡轮水动力性能的影响,本文采用数值仿真与模型试验的方式测试直径300 mm潮流涡轮的水动力性能,并对数值仿真方法进行验证;采用Bahaj修正方法与数值仿真方法对不同流域、流速下涡轮的能量转换效率以及阻力系数进行对比,进一步分析池壁效应对涡轮桨盘处以及尾流区域流场的影响。研究结果表明:池壁效应对水平轴潮流涡轮的水动力性能影响明显,其对能量转换效率影响伴随尖速比的增加逐渐增大;池壁效应对潮流涡轮桨盘处的轴向流速以及流场分布影响较小,但对潮流涡轮尾流区轴向速度恢复影响明显。研究结果可为水平轴潮流涡轮水动力性能的数值仿真研究与试验提供相关数据以及参考。

Spar式风力机平台设计及水动力影响因素研究

针对NREL5MW风力机设计Spar式风力机平台并采用频域分析方法对该平台的水动力性能进行分析,研究纵荡板、平台工作水深以及重心高度对其水动力性能的影响。研究表明,垂荡板可将Spar平台的垂荡响应峰值降低至无垂荡板时峰值的1/3。当水深大于设计吃水的4倍时,水深对垂荡运动影响很小,这说明Spar风力机平台适合工作在水深大于4倍平台设计吃水的海域。当加压载后,平台重心低于设计重心的距离在0!0.8倍的设计重浮心距离范围内时,Spar风力机平台实际重心位置的偏离对平台的水动力性能影响较小。分析结果将为海上浮式风力机支撑平台的设计以及水动力性能研究提供参考。

固定偏角垂直轴潮流水轮机叶片安装角研究

叶片安装角是影响固定偏角垂直轴水轮机性能的关键参数之一.为了提高水轮机性能,应用模型试验和数值模拟的方法,研究了安装角对水轮机叶片载荷和叶轮整体性能的影响.通过能量利用率的数值计算结果与试验结果对比,验证了数值模拟结果的可靠性.研究结果表明,叶片安装时首部外偏一定角度,可以提高叶轮的能量利用率,并且可以降低叶片载荷,这有利于水轮机的长期运转;叶片安装时首部内偏一定角度,对叶轮的能量利用率和叶片载荷均不利.

海上漂浮式风力机研究进展及发展趋势

介绍海上漂浮式风力机概念及其发展,列出了浮式结构的分类以及所面临的挑战,重点论述了目前世界上漂浮式风力机研究现状,给出了目前漂浮式风力机的发展趋势,并对其在我国的适用性做了简要分析。

潮流能水轮机水动力分析方法

潮流水轮机是潮流能转换装置的核心装备,潮流水轮机水动力性能和载荷则是潮流能转换装置总体设计和结构设计的基本依据。到目前为止,流动分离、流固耦合、空化以及复杂环境条件等强非线性因素对潮流水轮机水动力的影响仍然是一个值得研究的问题。本文基于哈尔滨工程大学在潮流能利用技术领域多年的研究成果,对潮流水轮机在均匀流水动力分析和流固耦合分析的不同数值方法及相关计算结果进行了回顾和对比分析,并提出了一种水轮机波浪载荷的计算模型。

漂浮式潮流电站载体船结构强度分析

漂浮式潮流电站是一种海洋潮流能转换系统。考虑载体的稳性,经济性以及其对水轮机水动力性能的影响,文章采用一种新型双体船作为潮流电站的载体。与常规船相比,该双体船结构较复杂,中间开口结构严重不连续;采用井字结构支撑水轮机组;其无航速且必须具有足够的稳性。另外,载体结构承受的载荷特性也较为复杂,除了承受环境载荷外还要承受水轮机组的水动力载荷。因潮流电站双体船载体结构新颖,载荷复杂的特性,很难直接利用规范或者现成的理论评估电站载体结构的整体强度。文中基于三维势流理论计算载体的波浪载荷,利用CFX软件计算水轮机的水动力载荷,采用"等效刚性轴"方法施加载荷;最后利用有限元方法对载体船结构进行计算。计算结果显示:该方法能够真实反映支撑结构的应力分布特点。该文的研究可为潮流能电站载体结构选型,设计提供参考,将对弥补能源短缺,缓解环境污染起到重要作用。

偏流角对潮流能水轮机水动力影响研究

基于三维CFD数值模拟方法对潮流能水平轴水轮机进行分析研究,并与试验结果比较,验证该方法的有效性。通过改变迎流式和背流式偏流角的大小,研究不同偏流角对水平轴水轮机水动力特性的影响规律。结果表明:偏流使水轮机效率及轴向载荷的平均值下降,偏流20°时,迎流式和背流式效率最大下降分别约为5%和6%,轴向载荷系数最大下降分别为5.5%和7.0%;使瞬时值波动幅值增加,偏流角越大,波动幅值越大。

浪流共同作用下潮流能水轮机性能试验研究

浪流共存环境中的潮流能水轮机性能研究旨在为准确地估计潮流能发电装置的生存性及获能效率等重要指标提供依据。论文基于模型试验的方法,采用发电功率为1k W的水平轴水轮机模型,在不同叶尖浸没水深条件下,研究规则波以及极限波作用下的水轮机特性,揭示其功率与载荷的变化规律。研究结果可为潮流电站设计提供依据以及为数值方法的有效性验证提供数据。

潮流能发电增速导流罩研究

为提高潮流能水轮机的发电功率同时延长一个潮流周期内的可发电时间,采用数值计算(CFD)方法对一种新型水平轴水轮机增速导流罩的主要参数进行理论研究,并通过水池模型试验对计算结果进行验证.研究结果表明:增速导流罩可降低水轮机的启动流速,同时可以使水轮机发电功率得到显著提高,从而增加发电量.潮流能发电增速导流装置的研究将对弥补能源短缺,缓解环境污染起到重要作用.

潮流能水轮机单向流固耦合计算方法

基于ANSYS和CFX软件实现了垂直轴潮流能水轮机单向流固耦合瞬态计算。将二维CFX流体计算结果作为水轮机受力,将流体与结构中相对应的节点压力施加到结构有限元模型上,从而完成水轮机工作状态主轴应变计算。将计算结果与实验结果进行对比发现二者吻合较好,说明单向流固耦合方法是将流体计算结果传递到结构分析的有效方法,在潮流能水轮机叶片小变形的条件下能够准确的预报结构响应的趋势,有效的计算垂直轴水轮机的结构强度,对其结构校核起到很好的指导作用。

漂浮式立轴潮流水轮机波浪载荷分析

波浪对漂浮式潮流能水轮机的水动力性能具有重要的影响,论文采用切片理论建立和三维水轮机无辐射运动时立轴潮流水轮机水动力载荷近似计算公式,计算分析了浪流同向条件下,海能1号2×150 k W漂浮式潮流电站两叶片固定偏角立轴水轮机在波浪中的水动力载荷。计算结果表明,波浪中潮流水轮机水动力具有双频特性;水轮机工作工况下,每增加1 m波高,水轮机极限载荷增加27%,在相同波高条件下,主轴极限载荷随波长的增加而增大。

潮流能电站载体水动力响应分析

随着海洋能开发向深水的发展,潮流能的开发也有向更深海域发展的趋势.稳定可靠的水轮机载体,对水轮机正常工作及发挥其最大工作效率有着很大的影响.针对深水中水轮机浮式载体的水动力响应性能,基于三维势流理论,利用SESAM软件计算分析了2种不同载体的水动力性能,在对浮体运动性能影响较大的横摇、纵摇水动力响应方面,双体船的最大横摇角及最大纵摇角明显小于单体驳船.经对比分析得出,双体船形式载体在水动力性能方面更具优势.

客滚船风洞试验与数值计算

为了研究客滚船在不同风向角下的风阻及空气绕流场的特性,对一缩尺比为1∶100的客滚船模型进行了一系列风洞试验。利用CFD技术对船模的绕流场进行数值计算,分析了典型风向角下船模的流场形态,探讨了流场形态对风阻以及艏摇力矩的影响。结果表明,随着风向角的增大,纵向风阻曲线呈现“正弦曲线”的变化规律,同时存在两个方向相反的阻力峰;横向风阻曲线呈现“抛物线”变化规律。客滚船受到的风阻和尾流场的形态有直接关系。

潮流能水平轴水轮机数值模拟研究

主要基于粘性CFD理论对数值模拟中不同参数的影响做出详细研究与论证,计算水平轴潮流能水轮机在不同网格数量、湍流模型与参考系的结果。通过数值模拟与模型实验结果的对比,验证计算结果的准确性。另外分析计算误差产生的原因,总结可得到较精确结果的参数设置、网格划分原则以及计算模型。

科研反哺在“海洋能利用技术及应用”课程教学改革中的实践

为了培养学生积极思考的习惯和工程素养,提高学生将所学知识进行实际应用的能力以及创新能力,将科研反哺教学在“海洋能利用技术及应用”课程中进行实践很有必要。文章采用参观实验室模型试验、观看工程项目视频的教学方法,将科学研究中的总结与经验应用到教学中,根据实际设备和工程需求引发讨论,启发学生思考并积极鼓励学生发言,进而深入掌握教学内容。科研反哺教学,教学也可反哺科研,二者相辅相成,通过科研平台反哺教学机制的建立,提升教学质量,丰富教学内容,这对培养创新型人才具有重要意义。

水平轴潮流涡轮池壁效应修正方法分析

通过数值仿真与模型试验的方式分析池壁效应对水平轴潮流涡轮水动力性能的影响。通过总结公开发表文献中池壁效应修正方法,获取不同流域以及来流流速下5种池壁效应的修正结果,并与无限流域下水平轴潮流涡轮的能量转换效率以及阻力系数进行对比,进而获得可准确预估无限流域下水平轴潮流涡轮水动力性能的池壁效应修正方法。结果表明:池壁效应会对潮流涡轮的水动力性能产生较为明显的影响,受限流域下潮流涡轮能量转换效率以及阻力系数高于无限流域下的结果,且池壁效应对潮流涡轮的能量转换效率的影响伴随尖速比的增加呈逐渐增大的趋势。受阻塞因子与尖速比的影响,不同池壁效应修正方法的预估精度不同;其中,Pope-Harper以及Bahaj这2种池壁效应修正结果在不同来流流速、阻塞因子以及尖速比下与无限流域下潮流涡轮的水动力性能吻合良好。

潮流能水平轴水轮机支撑立柱干扰研究

基于全三维CFD数值模拟方法,通过改变支撑立柱的截面形状以及立柱前缘到叶轮旋转平面的距离,研究支撑立柱对水轮机水动力载荷与性能的干扰机理和影响规律.研究表明:立柱的干扰使水轮机平均能量利用率有所下降,最大能使水轮机平均能量利用率下降2%;对水轮机的瞬时性能有明显的影响,瞬时载荷产生显著波动.水轮机的能量利用率及载荷计算结果均与实验结果符合较好.

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。