浮潜式载体对潮流能水轮机性能的影响研究.pdf

《浮潜式载体对潮流能水轮机性能的影响研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第35卷第5期2016年10月海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYV01．35，No．5Oct．2016doi：10．3969／j．issn．1003-2029．2016．05．002浮潜式载体对潮流能水轮机性能的影响研究王树杰·一，于晓丽。，李仁军1，袁鹏1上，张以俊1(1．中国海洋大学工程学院，山东青岛266003；2．青岛市海洋可再生能源重点实验室，山东青岛266000)摘要：浮潜式载体是一种创新性的潮流能水轮机载体形式，在设计时，需在保证其上浮下沉及拖航稳定性的同时．尽量减小载体结构形式对其所搭载水轮机的影响。采用计算

2、流体力学方法对两种浮潜式载体结构形式下水轮机运行状态及流场流速分布进行研究，计算结果表明：浮潜式载体中有无坡度对于水轮机的功率系数与轴向力系数影响很大，功率系数在提高的同时，轴向力系数也相应的增加．因此在保证水轮机获能的同时，需要对结构进行稳定性校核；水轮机在额定流速条件下。浮潜式载体的存在对于水轮机上游流速有一定的加强作用，有坡度浮潜式载体因其导流聚流作用将流速提高0．4m／s左右．更有利于水轮机获能和效率的提高。关键词：水平轴潮流能水轮机；浮潜式载体；数值模拟；性能分析；流场分布中图分类号：P743；TK73文献标志码：A文章编号：1003—20

3、29(2016)05—0005—05水平轴潮流能水轮机作为目前应用最广的潮流能转换机构形式【“，其性能与载荷不仅受到外部复杂海洋环境的影响，而且会受到自身载体结构、支撑结构等的影响。国内外学者对于载体结构与支撑结构的影响进行一系列研究。卡迪夫大学的AMason—Jones，DMO’Doherty等121对比研究5种不同的支撑结构对于水平轴潮流能水轮机的影响；中海油研究总院的李志川，张理等M研究了漂浮式载体运动及不同支柱形式对于水轮机载荷与效率的影响；陈存福【s1采用试验研究方法对比分析有无导流罩对于水平轴水轮机的影响，指出导流罩的加入能够提高水轮机效

4、率。20kW潮流能发电装置综合座海底式和漂浮式载体的优缺点，首次提出浮潜式载体的概念，浮潜式载体的结构形状对于水轮机及流场产生一定的影响，然而关于这方面的研究尚未见到相关的文献，针对上述问题，本文拟采用CFD的方法对20kW潮流能发电装置中浮潜式载体对水平轴潮流能水轮机性能影响进行对比分析，为该装置的优化设计提供参考和依据。120kW潮流能发电装置20kW潮流能发电装置由中国海洋大学设计，采用的是水平轴可变桨距水轮机，由水轮机、浮潜式载体及支撑结构3部分组成，如图1所示。图l!()k、、实尺潮流能装置20kW潮流能发电装置独创性地采用浮潜式浮箱作为载

5、体，通过对浮箱舱室内部舱室进行合理分布同时实现各个舱室的注水与抽水，使浮潜式载体具备3种不同工作状态，保证拖航与水下工作时收稿日期：2016—02—25基金项目：国家自然科学基金资助项目(51479185)；海洋可再生能源专项资金资助项目(GHME2010ZC04)作者简介：王树杰(1961-)，男，博士，教授，主要从事海洋能利用技术研究工作。E-mail：wangshujie@ouc．edu舢6海洋技术学报第35卷稳定性。浮潜式载体工作状态示意图如图2所示。ff蔷蚕透蒌蔫二i≮(：：’匠鲞萄罐垂莺i函薹萎萄⋯荔、j图3水轮机叶轮表1水轮机及载体各项

6、参数各项参数数值设计流速／m．s_I水轮机叶轮直径／m水轮机安装深度／m浮潜式浮箱长度／m浮潜式浮箱宽度／m浮潜式浮箱高度，m2数值模拟2．1几何模型建立及网格划分为研究浮潜式载体结构形状对于水轮机性能的影响，需对前后有坡度浮潜式载体和前后无坡度浮潜式载体两种载体结构形式对水轮机性能的影响进行对比分析，在三维绘图软件SolidWorks中完成浮潜式载体与叶轮的建模，导人到前处理软件Gambit中，完成旋转域与流体域的建模，为简化运算将浮潜式载体进行简化，忽略两边立柱及后方横梁的影响，如图4所示。上一＼，＼一l＼．多三三≥≥，：<≥≥习(a)有坡度浮潜

7、式载体(b)无坡度浮潜式载体图4旋转域与流体域建模旋转域要求能够包裹水轮机，设定旋转域直径为5．5m，厚度为1m；斋堂岛海域平均水深为12m，将流体域的尺寸设置为35m×12mx8m。两种载体形式除载体结构形状不同，其他条件设置保持一致。网格划分不仅要考虑计算机的计算能力，还要考虑网格的优劣，因为网格划分的质量直接决定了计算结果的准确度。作为CFD前处理软件GAMBIT，提供了结构网格和非结构网格两种网格类型。鉴于叶片较为复杂的外形以及非结构网格的适应性阁，采用非结构网格。对网格进行分区划分，水轮机叶片表面采用三角形网格划分；流体域采用四面体非结构网

8、格进行划分，网格尺寸为400mm，网格数约为40万；对旋转域进行加密处理，以便能获得重要的流场信息，网格尺寸