基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机的性能研究

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海流能是指具有一定轨迹、流速平稳的海水运动时所包含的动能。海洋中的海流能储量丰富,开发利用潜力巨大,其获能装置及其性能研究,特别是改进海流涡轮机的现有技术,使其能充分利用低流速海流能是研究的热点和难点。单叶轮的水平轴海流涡轮机研究已经相对成熟,其优点是可以在商业流速下持续性的取得较高的获能效率,而Magnus效应涡轮机却可以在低流速条件下获能,研发利用Magnus效应的涡轮机,充分利用低速海流能具有极其重要的意义。基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机获能装置由两部分组成,分别是上游的钝尾缘变截面弯扭叶片叶轮与下游的Magnus圆柱叶轮。课题组前期理论研究得到影响“一种基于Magnus效应的海流能发电装置”运行性能的关键,分别是Magnus叶轮在海流作用下的水动力学特性以及圆柱叶轮绕自身轴自转的旋转角速度,与Magnus叶轮海流涡轮机有关的某些重要理论问题亟待深入研究与探讨。文章采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机的水动力学特性。首先基于叶素动量理论对变截面弯扭叶片进行了设计和优化,通过CFD软件模拟分析得到优化叶片的各项水动力学特性,其次对旋转圆柱进行了模拟分析,得出Magnus圆柱叶轮的受力和获能特性,然后将钝尾缘变截面弯扭叶片叶轮与Magnus圆柱叶轮结合起来,形成基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机。通过Fluent模拟之后的对比分析,得出性能最佳的获能结构。本文研究了Magnus效应共轴双叶轮海流涡轮机上下游叶轮的受力、获能特性,分析了影响Magnus效应共轴双叶轮海流涡轮机水动力学特性的一些主要因素,对其参数进行了优化配置。本文研究为基于Magnus效应的共水平轴海流涡轮机在海流发电工程中的应用奠定了基础研究,并为Magnus叶片与海流间耦合相互作用的动力学特性分析和数值模拟提供一定的方法,这为新型海流涡轮机获能装置的优化设计提供了一定的指导意义。
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