有界水域垂直轴水轮机水动力模型实验研究

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煤、石油、天然气等不可再生能源的储量随着人们不断的开采和利用而日益减少,而人类对能源的需求却随着工业生产的发展和生活水平的提高而与日俱增。传统能源已不再能够满足人类的需求,可再生能源领域的发展现已成为世界能源发展的必然趋势。其中海洋可再生能源总量丰富,是人类未来能源的宝库。本文研究的潮流能垂直轴水轮机是一种可以将潮流能转化为电能的一种装置。  本文试验是基于2013年海洋可再生能源专项资金-海洋能综合支撑服务平台建设项目,对潮流能固定偏角垂直轴水轮机进行室内定型测试研究,试验的主要目的是建立垂直轴水轮机试验测试平台,确定垂直轴水轮机水动力性能和载荷试验测试方法,研究来流速度,速比,以及叶片弦长大小等主要参数对水轮机性能和载荷的影响规律。利用滤波等方法对实验结果进行数值处理。  通过对实验结果研究发现:(1)叶轮的轮辐和夹具降低了水轮机的能量利用率,增加了水轮机的载荷性能,且夹具大小的不同对水轮机的水动力性能影响很大。(2)水轮机存在最优速比,在该速比下,功率系数最大。(3)同一速比下,来流速度越大,平均功率系数越低。且速比越大,功率系数受来流速度的影响越大。流速越大,平均推力系数越小,平均侧向力系数越大。(4)弦长大小即密实度不同对水轮机性能和载荷性能也有明显的影响。在低速比下,增大叶片弦长可以提高水轮机的能量利用率,在高速比下,减小叶片弦长使能量利用率升高。  利用CFD软件CFX对该水轮机进行数值模拟,研究模拟情况下速比,来流速度,叶片弦长,自由液面,轮辐和壁面效应对水轮机水动力性能的影响。将实验结果与CFD结果进行对比,分析两种结果的差异及其原因。  本文的研究成果为垂直轴水轮机叶轮的设计、安装及垂直轴叶轮CFD有效性验证提供试验数据,对真实海况下的水轮机的设计和施工具有参考意义,促进了垂直轴水轮机的实验研究进展,对潮流能能量转换装置的研究具有重要意义。
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