论文部分内容阅读
随着能源短缺问题的凸显和环境污染进一步加重,清洁能源已成为新能源开发利用的重点。作为清洁能源的重要组成部分,海洋能近年来得到大力发展,其中,因潮流能具有资源丰富和能量利用率高等优势,潮流发电技术的开发利用受到普遍重视。本文针对往复式潮流发电系统的优化问题,开展了往复式水流翼式和流致振动式潮流发电系统的运动模块的优化设计与仿真研究。分别建立了核心运动模块的几何模型,并利用计算流体力学和ANSYS、Fluent等计算软件对运动模块的工作状态进行了仿真计算,以期提升核心运动模块的工作升力系数和系统的发电效率。针对往复式水流翼发电系统的仿真设计,利用弹性材料的运动模块代替刚性材料,建立水流翼的运动几何模型,并且利用流固耦合计算法进行仿真运算,探究弹性材料对水流翼于升力系数的影响。往复式水流翼发电系统运动模块仿真计算结果表明,弹性材料水流翼在流体中运动时会发生弹性形变,致使升力系数产生变化,当模型升力系数E为10~8~10~6时,升力系数随弹性系数的减小而增大的,当弹性系数继续降低至50000,升力系数降低。最佳升力系数的弹性系数为E=10~6,在此条件下升力系数比E=5000与E=10~8分别提高了126.98%、161.2%,效果明显。可见,弹性材料对于水流翼的升力系数有较大的影响,E=10~6为产生最高升力系数的材料弹性系数。对于流致振动式发电系统的仿真设计,建立了7种类型,共计11个运动模块的几何模型,并且利用二维流体计算法和流固耦合计算法进行了仿真运算,此外结合不同模型的升力系数和流速压力周期等因素,探究了不同模型对运动模块运动效果的影响。流致振动式发电系统运动模块二维仿真计算结果表明,各模型可获得往复周期性变化的升力,但是前端为平头的模型更加理想;另外发现,升力系数随x轴方向长度增大而增加,模型伴随长度增加对系统周期性造成影响,导致升力系数出现不稳定。结果表明,x方向为0.15m的半圆延长模型,在升力系数和周期性上都有明显的优势。流致振动式潮流能发电系统运动模块流固耦合仿真计算结果表明,运动模型可实现往复运动,运动幅度正比于模型长度,但随着其长度增加,振幅出现不规律振动。0.15m半圆延长型模型峰值升力系数为8.8,升力系数相比半圆模型增加了185%。x方向为0.15m的半圆延长模型的升力系数和周期性均优于其它模型。本文通过对往复式潮流能发电系统运动模块的仿真计算,探究了材料弹性系数、模型形状与模型升力系数、振幅、周期性的关系。选取了模型合理性的弹性系数参数和模型形状,对往复式潮流发电系统设计和应用提供了技术支持。