水平轴潮流能水轮机设计与数值模拟.pdf

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1、第３５卷第４期哈尔滨工程大学学报Ｖｏｌ．３５№．４２０１４年４月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＡｐｒ．２０１４水平轴潮流能水轮机设计与数值模拟盛其虎，赵东亚，张亮（哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）摘要：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

2、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。关键词：潮流能；水平轴水轮机；叶素－动量理论；计算流体力学；数值模拟；三维效应ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃７０４３．２０１３０５０５７网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｏｉ／１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６⁃７０４

3、３．２０１３０５０５７．ｈｔｍｌ中图分类号：ＴＫ７文献标志码：Ａ文章编号：１００６⁃７０４３（２０１４）０４⁃０３８９⁃０６ＡｄｅｓｉｇｎａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｉｄａｌｔｕｒｂｉｎｅＳＨＥＮＧＱｉｈｕ，ＺＨＡＯＤｏｎｇｙａ，ＺＨＡＮＧＬｉａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｅｆｆｉｃ

4、ｉｅｎｃｙｏｆｔｉｄａｌｅｎｅｒｇｙ，ｔｈｅｂｌａｄｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｍｅｎｔｕｍ（ＢＥＭ）ｂａｓｅｄＷｉｌｓｏｎｍｏｄｅｌｉｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｉｄａｌｔｕｒｂｉｎｅ．ＴｈｅＣＦＤｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅ’ｓｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｉｐｓｐｅｅｄｒａｔｉｏｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｉｓｄａｔａ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔａｌｏｎｇｔｈｅｂｌａｄｅｓｐａｎ

5、ａｎｄｔｈｅ３Ｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅ２Ｄｈｙｄｒｏｆｏｉｌｍｏｄｅｌｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒａｄｉｉａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔｉｔｓｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｆｌｏｗｆｉｅｌｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｎａ３Ｄｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｈａｒ⁃ａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔａｎｄｐｏｗｅｒｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆ

6、ｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅ，ａｎｄａｓａｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ａｎｄｔｈｅ２Ｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｈａｓｉｔｓｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ，ｉｔｆａｉｌｅｄｔｏｐｒｅｄｉｃｔｈｙ⁃ｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｃｏｒｒｅｃｔｌｙｉｎｐｌａｃｅｓｎｅａｒｔｈｅｈｕｂａｎｄｔｉｐ．Ｔｈｉｓｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅ３Ｄｅｆｆｅｃｔｓｈａｖｅａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｍｐａｃｔｏｎｂｏｔｈｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎｄｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅ’ｓｗｏｒｋｐｅｒｆｏ

7、ｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｉｄａｌｅｎｅｒｇｙ；ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｉｄａｌｔｕｒｂｉｎｅ；ｂｌａｄｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｍｅｎｔｕｍ（ＢＥＭ）；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；３Ｄｅｆｆｅｃｔｓ当今社会能源短缺问题已变得日益严峻，作为１９９４年英国ＩＴ动力公司设计的风车式发电装置、一种清洁可再生能源，海洋潮流能具有储量丰富、２００３年英国ＭＣＴ公司研制的出首台商业规模的潮［１⁃２］分布集中及可预测性强等特点。如何高效开发利用流发电装置均为水平

8、轴形式的水轮机。我国由潮流能已受到国际社会的重视。哈尔滨工程大学设计的１０ｋＷ水平轴水轮机已于水轮机是一种常见的潮流能发电装置，可分为２０１２年成功投入运行。垂直轴水轮机和水平轴水轮机。水平轴水轮机和水叶片是潮流能水轮机能量转换设备的关键部件，平轴风力机原理相近，具有输出功率稳定的特点。直接影响能量转换