振荡翼式潮流能发电装置的水动力分析

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当代社会能源危机、环境污染问题在愈演愈烈,各国之间针对海洋这一巨大的能源宝库的开采竞争也日趋激烈。潮流能作为清洁的可再生能源,不仅在海洋中储量丰富、获取简单,而且能量密度还很高,可预测性非常强,越来越多的国家大量开发潮流能发电设备。随着我国海洋强国建设的快速向前发展,更为高精尖的海洋工程的开发和利用逐步引起国家和企业的重视,我国也将通过综合利用海洋能源来为国家社会提供可持续发展的动力。本课题研究的是基于振荡水翼技术在捕获潮流能进行发电方面的应用,同时对水翼系统的水动力性能研究分析。像鱼摆尾的过程一样,振荡水翼技术实际上是升沉运动和绕转动轴的俯仰运动的合运动,不仅可以用来拍击水体做仿生推进;在潮流能作用下,振荡水翼还可以进行周期性往复运动,再将水翼捕获的潮流能再通过机械机构传递到发电机,进而转化为电能。本文分析了振荡水翼技术中,多种参数对其能量捕获效率的影响,包括水翼振荡的频率、俯仰角度幅值、沉浮运动的振幅等运动参数,以及水翼的翼型、弦长、俯仰运动的转轴位置等几何方面的参数,之后又探究了上下平行对称振荡水翼布置间距对系统的影响,目的是为了使每个水翼都能达到最高的能量捕获效率,最后发现上下平行对称放置的振荡水翼,当其初始间距足够小时,相互之间创造动态的“翼地效应”,极大地提高水翼升阻比,一定程度上能改善系统的水动力特性。通过研究众多参数对水翼系统的水动力特性的影响规律,并且用CFD方法模拟了两级水翼串联布置的应用场景,找出了其空间布局的不合理之处,主要集中在效率低,振荡受干扰,系统稳定性较差。针对翼地效应去提高水翼捕获能量效率的贡献不明显的问题进行了模拟、探究和分析,并找出了原因以及进一步的改进思路,即通过聚流板的使用和优化水翼运动控制方程,为该课题后续的研究打下了一定的基础。仿真技术上,本文采用计算流体力学软件ANSYS Fluent进行水动力的计算研究,通过重叠网格技术处理边界运动,保证了全过程都有较高的网格质量,避免了传统动网格中,网格再生、变形等诸多问题,通过与已发表文献作对比,验证了本文采用的数值计算方法的可行性。模拟获得了较好的流场变化过程,得到了一系列压力云图、涡量图并加以分析解读。
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