水平轴潮流能叶轮设计与水动力特性分析

潮流能是海洋可再生能源的重要组成部分,为提高潮流能利用效率,本文基于叶素-动量理论(BEM)方法,给出Glauert涡流设计理论在水平轴潮流能叶轮设计上的应用。采用BEM理论和CFD数值模拟方法对设计的潮流能叶轮进行水动力性能分析,计算其在不同叶尖速比下的功率特性,2种方法的结果表现了较好的一致性。在此基础上,基于BEM理论,进一步分析叶片表面的载荷分布情况,选取叶片沿展长方向的3个不同位置,分析翼段的流体动力特性随速比的变化规律。计算结果表明,潮流能叶轮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。本文的研究成果为今后水平轴潮流能叶轮设计及水动力性能预报提供有价值的参考。     

三维竖轴潮流水轮机水动力性能研究

竖轴水轮机作为潮流能转换为电能的核心装置,其水动力性能的优劣将会直接影响到整体发电系统的效率。为了研究大型竖轴水轮机叶片安装角对水轮机水动力性能的影响,基于多参考系模型(MRF),采用Fluent软件对流场中的模型进行3D数值模拟。在转速和来流速度保持不变,改变安装角时,分析同种翼型5个不同安装角叶片对潮流能水轮机的水动力性能的影响。同时分析在同一安装角和旋转速度条件下,不同来流速度对水轮机水动力性能的影响。结果表明,叶片安装角对竖轴潮流水轮机的能量利用率影响较大,来流速度对水轮机叶片表面的静压力和输出功率具有一定的影响。研究结果对今后竖轴水轮机的设计和生产具有借鉴意义。     

潮流能水轮机叶片结构设计及水动力性能分析

基于叶素动量理论对水平轴潮流能水轮机叶片外形进行设计,并结合Wilson方法修正计算模型,采用Matlab软件对叶片进行优化计算,得到优化后的弦长和扭角.通过坐标转换得到优化后翼型的三维坐标,将得到的坐标导入SolidWorks软件中建立叶片的三维模型.最后通过Fluent软件对设计的水轮机在不同尖速比下进行三维数值模拟.计算结果表明,设计的水轮机在水流速度为0.8 m/s,叶尖速比为3时,捕能系数能取得较大值,且水轮机无回流现象,具有良好的水动力特性.     

叶轮级数对一种潮流水轮机水动力性能的影响研究

为了进一步提高潮流能水轮机叶轮的能量捕获性能(获能效率),对一种多级获能潮流水轮机叶轮进行了研究。利用ANSYS16.0 中的CFX流体仿真模块对一种潮流水轮机的叶轮级数进行了数值计算,对不同级数的叶轮进行水动力性能模拟,考察一、二、三级叶轮在不同流速下呈现的速度、压力分布以及流场压差变化情况,并通过样机实验进行了验证。结果表明,叶轮级数的增加可以提高轮机对水流能量的捕获性能；就各个流速工况下的整体获能系数而言,三级叶轮最佳,但启动性能有所下降,三级叶轮启动流速在0.75m/s左右；三级叶轮的最优水速在1.5m/s左右,理想状态下获能效率可达51%上下。     

竖轴潮流能水轮机被动变桨数值模拟研究

竖轴水轮机的旋转不受来流方向影响,但其自启动性能较差,能量转化率低于水平轴水轮机。根据已有研究,被动变桨水轮机在旋转过程中叶片经过多数方位角区域时升力有所提高。本文通过计算流体力学软件Fluent,给定叶片不同限位角,研究叶片在水动力作用下在限位角内的变桨对竖轴水轮机能量转化率的影响,将其与定桨距水轮机进行对比,为提高水轮机性能提供合理建议。     

竖轴水轮机叶片安装位置对水动力性能影响的研究

本论文旨在研究竖轴水轮机叶片安装位置对水轮机水动力性能的影响,考虑到竖轴水轮机叶片延展向剖面相同的特点,本文将水轮机模型简化为二维模型并利用开源软件OpenFOAM对竖轴水轮机进行了研究。首先文章给出了水轮机模拟中多个参数的取值策略,之后对不同叶片安装位置的三叶片竖轴水轮机进行了CFD瞬态模拟,得出了其功率系数随叶尖速比的变化曲线。最后,文章通过分析水轮机功率、推力及侧向力系数,发现了叶片安装位置接近叶片中心位置时,水轮机在运行中受到的载荷较小等结论。     

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。     

水轮机影响域的数值仿真计算

运用CFD方法,建立潮流能水轮机分析模型,采用MRF(多参考系)模型和滑移网格技术对水轮机进行水动力性能的模拟计算,验证了CFD方法预报水轮机性能的可靠性。初步总结水轮机在潮流中工作的水动力特性,并计算了水轮机间距对水轮机性能及尾流场的影响。结合Fluent后处理软件Tecplot对计算结果处理分析,得到水平轴水轮机在工作过程中对周围流场的影响。研究发现,当水轮机间距为2D时,水轮机相互影响较小,在水轮机尾后方4D处,速度基本恢复为来流速度。为海上可再生能源试验平台的概念设计提供了参考和指导,为平台总布置设计提供了有意义的理论基础。     

潮流能流道环导管涡轮机减阻特性及尾流场研究

为了解决潮流能导管涡轮机来流阻力及尾部回流过大的技术问题,对一种带流道环的导管涡轮机的水动力学性能进行非定常数值模拟,并从流道环宽度、流道环数和流道环形状3个方面对系统的轴向阻力、叶轮压力脉动及尾流场流态的影响进行分析.研究结果表明:直流道环导管涡轮机相比原导管涡轮机有效减小了系统轴向阻力、叶轮载荷及压力脉动幅值,降低了结构的疲劳风险.此外,相关尾流场分析指出直流道环的射流作用能显著减少尾部的低速条带和回流区尺度,加快近尾流场的流速恢复.且随着直流道环宽度及数量的增加,射流将向导管尾端流域注入更多的动量,尾流恢复更快,系统的减阻效果也进一步得到了增强.而弯流道环导管涡轮机的偏转射流增加了尾流的复杂程度,在阻碍尾流向下游自由扩散的同时也增加了载荷及叶轮压力的脉动幅值,不利于系统的减阻.     

一种使用浅层神经网络增强BEM模型的方法

水平轴潮流能水轮机是常用的潮流能获取装置,载荷预报是设计过程中的重要问题。BEM方法被广泛应用于水平轴水轮机的载荷预报,由于该方法计算速度快,常在早期选型优化阶段使用。BEM方法的核心步骤是通过迭代方式求解诱导系数,存在收敛性问题。文章使用没有收敛性问题处的数据进行神经网络训练,利用训练后的神经网络对产生收敛性问题处的诱导系数进行预报,实现了扩展运算域的效果。研究发现,BP神经网络模型能够有效解决收敛性问题,拓宽运算域,预测的平均误差在4%以内。通过研究BP神经网络的最优结构,为后续的相关研究提供了设计建议。     

CFD simulation of fixed and variable pitch vertical axis tidal turbine

In this paper, hydrodynamic analysis of vertical axis tidal turbine (both fixed pitch & variable pitch) is numerically analyzed. Two-dimensional numerical modeling & simulation of the unsteady flow through the blades of the turbine is performed using ANSYS CFX, hereafter CFX, which is based on a Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) model. A transient simulation is done for fixed pitch and variable pitch vertical axis tidal turbine using a Shear Stress Transport turbulence (SST) scheme. Main hydrodynamic parameters like torque T, combined moment C _M , coefficients of performance C _P and coefficient of torque C _T , etc. are investigated. The modeling and meshing of turbine rotor is performed in ICEM-CFD. Moreover, the difference in meshing schemes between fixed pitch and variable pitch is also mentioned. Mesh motion option is employed for variable pitch turbine. This article is one part of the ongoing research on turbine design and developments. The numerical simulation results are validated with well reputed analytical results performed by Edinburgh Design Ltd. The article concludes with a parametric study of turbine performance, comparison between fixed and variable pitch operation for a four-bladed turbine. It is found that for variable pitch we get maximum C _P and peak power at smaller revolution per minute N and tip sped ratio λ.     

半潜式风、潮流联合发电平台水动力分析（英文）

Energy shortages and environmental pollution are becoming increasingly severe globally. The exploitation and utilization of renewable energy have become an effective way to alleviate these problems. To improve power production capacity, power output quality, and cost effectiveness, comprehensive marine energy utilization has become an inevitable trend in marine energy development. Based on a semi-submersible wind-tidal combined power generation device,a three-dimensional frequency domain potential flow theory is used to study the hydrodynamic performance of such a device. For this study, the RAOs and hydrodynamic coefficients of the floating carrier platform to the regular wave were obtained. The influence of the tidal turbine on the platform in terms of frequency domain was considered as added mass and damping. The direct load of the tidal turbine was obtained by CFX.FORTRAN software was used for the second development of adaptive query workload aware software, which can include the external force. The motion response of the platform to the irregular wave and the tension of the mooring line were calculated under the limiting condition(one mooring line breakage). The results showed that the motion response of the carrier to the surge and sway direction is more intense, but the swing amplitude is within the acceptable range. Even in the worst case scenario, the balance position of the platform was still in the positioning range, which met the requirements of the working sea area. The safety factor of the mooring line tension also complied with the requirements of the design specification. Therefore, it was found that the hydrodynamic performance and motion responses of a semi-submersible wind-tidal combined power generation device can meet the power generation requirements under all design conditions, and the device presents a reliable power generation system.     

非线性混合海况下近海风机塔筒底部载荷的动力响应

本文主要研究在非线性混合海况(即风浪和涌浪组合海况)下,以NREL 5MW_Baseline Monopile近海风机为研究对象,对其塔筒底部(基线)所受到的剪力和弯矩载荷的动力响应进行仿真。在近海风机的时域仿真中,选用了Ochi-Hubble六参数波浪谱,并编制了该谱的程序嵌入到FAST中进行编译。计算过程中,共进行了20次10 min的仿真分析。对于得到的短期载荷,给出了波高程,塔筒底部首尾向剪力和弯矩在线性与非线性不规则波作用下的时程曲线对比图。采用分块最大值法对每一次的短期载荷提取极值,并基于20次仿真所得的极值,给出了塔筒底部首尾向剪力与弯矩在线性与非线性不规则波作用下的超越概率曲线对比图。研究表明,在非线性混合海况下进行近海风机塔筒底部载荷的动力响应研究,计算结果对工程实际应用具有指导意义。     

含月池开孔的FPSO水动力性能及波浪载荷研究

为研究月池开孔对FPSO水动力性能和波浪载荷的影响,基于三维势流理论和波浪诱导载荷理论,分析了不同的月池尺寸、不同的月池纵向位置以及不同的船体吃水时附加质量和附加阻尼的变化趋势。并进行了含月池开孔的FPSO波浪诱导载荷的长期预报,得到了截面垂向剪力和弯矩沿船长方向的分布规律,分析了月池尺寸对波浪诱导载荷的影响。结果表明含有月池的FPSO船体的垂向附加质量和附加阻尼会出现一个峰值,随月池尺寸增加而逐渐减小;月池处垂向剪力和垂向弯矩随月池尺寸增大有小幅度减小。     

20kW矩形潮流能发电机组结构设计及优化

潮流能是一种开发成本低、对环境影响小、具有良好商业前景的理想绿色新能源。研究了一种新型能量利用率高、水动力性能优良的矩形潮流能水轮机,给出了发电机组总体设计方案和基本尺寸,利用ANSYS软件对支撑结构在额定工况和极限工况下进行强度校核,并采用Screening优化法和NLPQL优化法进行优化设计,优化后的结构重量可以降低13.3%,具有良好的经济效益。     

单侧边载作用下黏土中单桩负摩阻力特性模型试验研究

桩基础边载作用会在桩周产生负摩阻力,进而危及软土地区高桩码头、人工岛、路基等工程的安全。通过开展黏土中单侧堆载作用下单桩室内模型试验,测定桩身应变、桩顶沉降和水平位移,研究边载作用距离和桩型对桩身轴力及弯矩的影响,探讨桩身负摩阻力、桩顶沉降和水平位移在黏土固结过程中的时间效应。结果表明:边载作用距离对桩身最大轴力和最大弯矩有较大影响;翼板桩会增加桩身最大轴力和最大弯矩;负摩阻力和有效应力系数随时间增长且增速趋缓;增加边载作用距离和添加翼板都会提升桩身中性点位置,在这两组试验中均提升了8.33%。     

基于波浪载荷直接计算的三体船总纵强度评估研究

采用基于自由面格林函数法的三维线性势流理论求解三体船辐射和绕射的水动力问题,得到各重现周期和概率水平下的垂向弯矩和垂向剪力的长期预报极值,分析其统计特性和分布规律,并与规范计算值进行比较,在此基础上运用簿壁梁理论进行总纵强度评估,为三体船的载荷预报和结构分析提供参考。     

循环荷载下大管桩抗裂性能试验研究

大管桩由于具有较高的极限、抗裂弯矩值,在基础工程中得到广泛应用。在近海工程中,由于桩基受到长期波浪、水流或靠船撞击等水平动力荷载,因此必须考虑大管桩的疲劳性能。通过循环荷载下的抗弯试验对D1200B32-2型大管桩进行抗裂性能研究,得到了试验样本的疲劳损伤变化并利用lgS-lgN曲线预测疲劳极限弯矩值,为大管桩的疲劳强度设计提供一定的参考。