潮流能水平轴水轮机流场分析

用OpenFOAM开源软件对水平轴水轮机进行数值模拟,以推力T作为体积力附加源项均匀加载到制动盘模型(AD),进行求解计算。在尖端速度比(TSR)为5.5的条件下,对自由区、单台水轮机、水轮机阵列3种情况下的流场进行分析。结果显示:在来流上游时,三者流速曲线吻合,流速增长趋势一致。水流在AD前端时,AD会对其有阻力作用,导致流速大幅下降。在尾流处,在水轮机阵列上游中,并列两侧水轮机尾流与下游水轮机流场发生动能交换,使其尾流恢复速度大于单台水轮机尾流速度。然而,无论是单台水轮机还是水轮机阵列,它们轴线方向上的中部尾流恢复严重不足,这是由于尾流的干涉使得下游水轮机的来流速度不断减小,其可吸收转化的能量也减少,速度随之减小,尾流也无法恢复。

阻力型水平轴水轮机水动力及尾流特性分析

水轮机是水能利用与水力发电的核心技术装备。传统的升力型水平轴水轮机需满足一定流速条件才可获得既定的效率,因此该型水轮机并不适用于流速较低的区域。为了拓展水平轴水轮机的适用范围,依据阿基米德螺旋线原理,设计了两种具有不同旋叶倾角的新型阻力型水平轴水轮机,并采用计算流体力学方法对二者的水动力及尾流特性进行了三维数值模拟研究。结果表明,变角水轮机在尖速比为0.5~2.0的范围内具有更高的功率系数,且其峰值功率系数相比定角水轮机提升了16%。此外,与一些文献中所报道的升力型水轮机在尖速比为0.5~2.0的范围内相比,变角水轮机也具有较高的功率系数。以尖速比为1.5为例,其功率系数相比至少提升了60%以上。与此同时,变角水轮机在全尖速比范围内具有更低的推力系数,但其性能波动比定角水轮机要明显。流场分析显示,两种阻力型水平轴水轮机的后方均出现了呈环状螺旋形的叶尖涡带和呈条状的毂涡带,而变角水轮机的叶尖涡带和毂涡带的连续性更强,向下游发展的轨迹也更长。此外,变角水轮机的尾流恢复比定角水轮机更快。研究结果揭示了阻力型水平轴水轮机的水动力及尾流特性,为其优化设计和推广应用提供了一定的参考依据。

剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力分析

为研究剪切流下潮流能水平轴水轮机的水动力问题,本文采用叶素动量理论与动态入流模型相结合的方法,考虑相对入流速度的时域变化,计算了不同剪切率下水轮机的各水动力系数,探究了剪切率对潮流能水平轴水轮机的水动力载荷特性的影响规律。经验证,数值模型与CFD模拟结果吻合良好。结果表明:一定范围内,同一速比下,剪切率对时均轴向力系数的影响不明显,对时均功率系数的影响大约以最优速比为分界,高速比时剪切率越大,功率系数越大,低速比时关系不明显;水动力系数的波动周期与叶轮旋转周期存在倍数关系;水动力系数的幅值与剪切率呈近似线性关系。本文可为剪切流下潮流能水平轴水轮机的载荷分析、设计优化提供有效的预报。

潮流能水平轴水轮机湍流模型研究初探

借助计算流体力学(CFD)方法研究潮流能水平轴水轮机水动力学性能,选择合适的湍流模型至关重要。为此,本文采用计算流体力学软件Fluent,将Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型分别应用到水平轴水轮机数值模拟当中。对数值模拟结果进行分析比较,并与模型试验数据进行对比,得出应用SSTk-ω湍流模型可以更好的模拟潮流能水平轴水轮机的水动力学性能。

基于叶素-动量理论的潮流能水平轴水轮机水动力性能分析

运用简化风车理论对水轮机叶片进行设计,基于叶素-动量(BEM)理论,采用Glauert修正,计算水轮机在不同工况下功率、转矩等水动力性能,得到不同工况下水轮机性能曲线;在风浪流水槽中进行模型试验,对叶素动量理论计算结果进行验证,为水轮机性能分析提供理论支持。

潮流能水平轴水轮机空化数值模拟

以50 k W潮流能水平轴水轮机为例进行叶片设计,采用计算流体力学软件Fluent分别模拟全湿流模型和空化流模型的水轮机水动力学性能,数值模拟结果表明水轮机运行过程中存在空化现象,空化首先发生在背流面叶片尖端,由叶片尖端向叶片中部发展,空化的发生可降低水轮机的功率系数和扭矩系数,增大水轮机的轴向力系数,工程上应采取相应的措施。

潮流能水平轴水轮机叶片优化研究

叶片对潮流能水轮机的性能有很大的影响,因此对叶片进行优化研究对于提高潮流能水轮机的效率的重大意义。本文对50kW潮流能水平轴水轮机进行了叶片设计,针对水轮机具体的运行环境,以提高水轮机获能为目标,应用遗传算法对叶片弦长和扭角进行了优化设计。通过对比实际工况下水轮机的获能特性得知,优化的叶片获能系数和获能功率较原叶片有所提高,从而证明应用遗传算法进行叶片优化的可行性,为水轮机叶片优化提供了新的方法。

潮流能水平轴水轮机设计软件框架设计与应用

潮流能水平轴水轮机设计过程涉及的参数、算法较多,但有一定规律可循。在现有理论基础和实践经验之上,制定一套相对标准的设计流程,并开发出一款水轮机辅助设计软件,使水轮机设计方便高效。根据水轮机设计流程搭建水轮机设计软件整体框架;结合动量理论、叶素理论、Wilson叶片设计模型推导叶片设计模块算法,运用叶素-动量理论分析叶片及水轮转子载荷模块算法;软件框架设计与其模块算法分析为设计潮流能水平轴水轮机设计软件奠定坚实基础。并以设计20与50 kW水轮机为例,设计出的水轮机获能效果满足工程要求,验证设计软件算法可靠。

潮流能水平轴水轮机叶片扭角与弦长分布研究

叶片是潮流能水轮机的关键部件,为获取综合性能良好的潮流能水平轴水轮机,采用解析计算与CFD仿真结合的方法研究叶片扭角与弦长分布。以叶素效率最大原则,推导叶片扭角与弦长的理想分布计算模型,并研究尖速比对叶片扭角与弦长分布的影响;综合考虑水轮机获能效率、可靠性、安全性及叶片加工制造等因素,提出对叶片扭角与弦长修正分布模型;运用Fluent软件对20kW水轮机设计实例性能分析,结果显示修正模型水轮机转矩满足获能要求,轴向力明显减小,有利于工程应用中水轮机的稳定运行。

潮流能水平轴水轮机叶片应力疲劳特性分析

潮流能水平轴水轮机在工作过程中受到变幅载荷的作用,会对水轮机叶片的疲劳特性产生重要影响。采用S-N全寿命应力疲劳的时域分析方法研究变幅载荷下潮流能水轮机叶片的应力疲劳特性。基于叶素动量理论,分析叶片所受载荷类型,通过自编程序生成随机变幅载荷的时间序列,运用有限元法分析叶片的应力与应变,将静力学仿真的有限元模型作为疲劳分析模型,应用疲劳分析软件分析叶片的应力疲劳特性。以20kW浮潜式潮流能水平轴水轮机叶片为例,分析叶片的疲劳损伤、疲劳寿命及危险节点,结果表明叶片满足寿命要求,为潮流能水轮机叶片设计及疲劳特性分析提供参考。

海流能水平轴水轮机水动力性能研究

运用简化风车理论,对海流能水平轴水轮机进行叶片设计。应用计算流体力学软件Fluent对水轮机进行水动力性能数值模拟,分析叶片表面压力分布、流场速度分布和获能特性。在浪流水槽中进行模型试验,将计算结果与试验结果进行对比。研究结果表明:桨距角、尖速比和负载对水轮机的水动力性能有影响,工程上应采取相应措施。

潮流能水平轴水轮机在剪切来流下的水动力分析

采用基于计算流体力学方法的全尺度数值模拟计算,建立了适用于潮流能水轮机模拟的剪切来流环境,通过数值计算结果,对潮流能水轮机随时间变化的宏观力和流场特征进行了系统分析,探索水轮机在复杂工况下的水动力特性规律。结果表明,水轮机整个叶轮的总体平均受力在剪切流工况中未受到明显影响;单个叶片的瞬态轴向力系数和瞬态轴向扭矩系数在旋转周期内出现了明显的周期性变化,且周期性变化幅值随转速增大而增大;非定常的瞬时轴向扭矩和力的周期性振荡容易引起单个叶片的结构性振动,可能对水轮机的机械结构造成影响。

偏流条件下水平轴水轮机水动力学性能与尾流场研究

针对水平轴水轮机在偏流条件下的复杂水动力学问题,借助计算流体力学(CFD)数值模拟方法,建立了水轮机的计算模型并通过试验数据验证了模型及方法的可靠性,之后对不同偏流角下的水平轴水轮机的水动力学性能及尾流场进行了研究。结果表明,随着偏流角的增大,水轮机的平均功率系数和推力系数逐渐下降,而瞬时功率系数、推力系数和压力脉动系数的波动幅值逐渐增大。此外,水轮机的尾流场将变得十分复杂和不稳定,并在下游相应位置处出现反向漩涡,但尾流速度恢复明显加快。

海流能水平轴水轮机尾流场流速研究

运用简化风车理论，对海流能水平轴水轮机叶片进行设计，在浪流水槽中进行水轮机模型试验，应用计算流体力学软件Fluent对水轮机进行数值模拟，研究水流流速、尖速比、桨距角和叶片尺寸对尾流场流速的影响。研究结果表明，尾流截面轴心处流速比边缘流速小，横向机组间最佳轴间距为2D。水轮机下游8D范围内为急速增大区，纵向机组间最佳纵间距为8D。水流流速越大、尖速比越小、叶片尺寸越小对下游机组布置越有利，桨距角对尾流场流速恢复影响不明显。

海浪条件下水平轴叶片式潮流能水轮机流动特性的数值模拟

为了研究自由海浪条件下的高潮汐流速对水平轴潮流能水轮机的动态特性影响,基于STAR-CCM+建立了海浪条件下潮流能水轮机水动力特性的数值模拟方法,得到了海浪对潮流能水轮机转动影响规律及转动过程中产生的尾流特征。结果表明,潮流能水轮机角加速度的幅度与频率受海浪影响,但波动幅度小于海浪波动幅度、变化频率高于海浪波动频率;水轮机转动产生的尾流会使下一个水轮机的周围流场更紊乱,对叶片转动的影响、水轮机轴负载和能量利用率等方面会产生影响;压力脉动变化趋势分析认为,尾流对水轮机疲劳损伤并无太大影响。

水平轴潮流能水轮机设计与数值模拟

为提高潮流能利用效率,基于叶素-动量理论(BEM),给出了Wilson模型在水平轴潮流能水轮机设计上的应用。采用CFD技术计算对设计的水轮机进行水动力特性分析,计算其在不同叶尖速比下的功率特性。在此基础上,对叶片沿展长方向的功率分布和三维绕流特性进行分析,并采用二维计算方法预测对应三维工况下各截面处的流场特性。计算结果表明,水轮机的工作特性满足对功率和效率的要求,说明了设计方法的可靠性;同时绕流特性分析也显示了二维模拟的局限性,尤其在叶根、叶尖部位失真较大,这说明三维效应对水轮机输出功率和流场性能有着显著的影响。

水平轴潮流能水轮机耦合运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴水轮机的水动力特性发生变化,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的三维水动力特性进行研究.结果表明:水轮机轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,且横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷及能量利用率的计算结果与只发生纵摇运动的计算结果基本相同;横摇和纵摇耦合运动时横摇力矩计算值的波动幅值比只发生横摇运动时的大;横摇和纵摇耦合运动时纵摇力矩的计算值与只发生纵摇运动时的计算值存在差异,横摇频率越大,差异越明显.研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机的结构设计及电能控制等提供相关数据.

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.

水平轴潮流能水轮机数值模拟方法对比分析

叶素动量理论和CFD方法是水平轴潮流能水轮机性能分析中运用较为广泛的数值模拟方法,文中结合小尺寸水轮机模型试验,对比分析了叶素动量理论和CFD方法在水轮机性能分析中的准确性和适用性。验证结果表明:叶素动量理论和CFD方法均能对水轮机的性能进行预报,且CFD精度高于动量叶素理论;大尖速比时,动量叶素理论偏离较高,不再适合性能预报;在小尖速比下,建议采用RNG k-ε模型的CFD方法进行分析计算;动量叶素理论适合设计初期设计方案的对比分析,而CFD方法适合对设计结果的验证校核和详细分析。

剪切流对潮流能水平轴水轮机水动力性能的影响

为研究剪切流下潮流能水平轴水轮机水动力载荷的特性,基于计算流体力学(CFD)方法建立剪切流模型,计算水平轴水轮机在剪切流下的水动力载荷,并分析得出剪切流对水动力载荷的影响规律。结果表明:在剪切流情况下,水动力载荷系数时历曲线发生明显波动,除了弯矩系数的波动频率与叶轮旋转频率一致外,其他系数的波动频率均为叶轮旋转频率的2倍,且剪切流越大,水动力载荷系数的波动幅值就越大;随着速比的增大,弯矩系数的波动幅值逐渐增大,而侧向力系数波动幅值先增大再减小,在最优速比左右达到最大。研究成果可为潮流能水平轴水轮机的结构设计和性能优化提供参考。