Savonius水力转轮是一种新型水力发电装置,在河流、水渠及海洋等水能开发领域中逐渐成为研究的焦点。该转轮具有结构简单、易加工、维护成本低、启动力矩大、环境适应性强、不易发生空化等优点。目前关于该转轮在风能开发领域的研究报道较多,但由于其应用于水能开发的时间较短,转轮流场的瞬态流动、来流工况对转轮性能的研究鲜见报道。水力转轮结构决定着周围的流动,流动又反过来影响转轮的性能,因此,分析二者之间的关系可以为转轮的优化设计提供参考。本文以Savonius水力转轮为研究对象,利用先进的流场测量手段及数值模拟方法,探究转轮旋转角度对周围流场、流动对转轮启动性能及外特性的影响;进而在剪切来流工况下,对转轮周围的流动及性能进行分析,补充Savonius水力转轮流动理论,为其性能优化提供参照。本文的主要研究工作及结论如下:(1)以循环水洞为测试平台,借助时间分辨的粒子图像测速技术(TR-PIV),对不同旋转角度下的转轮尾流进行测量,分析旋转角度及来流速度对转轮周围流动参数分布的影响,描述转轮周围的复杂流动特征。研究结论:转轮的启动性能及能量转换性能与周围的流场密切相关。瞬态尾流的研究结果表明:低速来流条件下,转轮下游的流动特征尤其是大尺度的旋涡结构随旋转角度的不同而存在明显差异。旋涡的不规则形状及脱落使水力转轮在任意角度都容易启动,但也使得转轮在运行过程中难以维持相对稳定的转速。根据转轮的时均流场结果,转轮的尾流宽度由其最大迎流面积决定,并且其上游及下游竖直方向上的速度分布相似;来流速度增大时,转轮下游的旋涡及低速区域面积减小,涡脱频率加剧。(2)运用商用计算流体动力学(CFD)软件ANSYS Fluent模拟转轮周围的三维湍流流动,对比分析均匀来流与剪切来流对转轮性能的影响,描述不同来流条件下转轮周围的流场特征,分析力矩输出特性与流动之间的关系。研究结论:转轮的上游来流在剪切来流条件下向下方倾斜。转轮在处于竖直状态时,剪切来流对流场影响较小;转轮接近水平状态时,转轮附近的旋涡结构受主流的剪切作用影响较大。低速来流条件下转轮的力矩系数曲线呈蝴蝶状;随着剪切系数的增大,力矩系数的变化出现延后现象;各来流条件下的关键力矩系数出现的角度相近,转轮周围的压力分布相似。(3)在相同的剪切来流条件下,通过改变转轮的转速调节尖速比,对转轮周围的流场进行数值模拟,分析转轮力矩性能随尖速比的变化,描述不同尖速比条件下转轮周围的流动特征。研究结论:不同尖速比工况下,转轮尾流中的旋涡变化显著,直接影响了尾流流场特征;尖速比为0.5时,力矩系数曲线平滑,可以获得较大的平均能量利用率以及较稳定的功率输出。尖速比为0.7时,转轮周围流场明显受到转轮旋转产生的牵连作用的影响,旋涡结构发生显著变形。