振荡翼的水动力特性及捕能机理研究

论文摘要

为减少对传统化石能源的依赖,需开发清洁的可再生能源。潮流能是一种储量丰富的可再生能源。振荡翼式捕能装置具有成本低、展向方向不受空间限制等优点,在潮流能开发利用方面具有良好的应用前景,其工作原理为在流体激励下水翼做俯仰-升沉耦合振荡运动,通过转换装置将水翼的动能转换为电能输出。深入研究振荡翼的捕能机理,可为开发捕能效率高、输出功率稳定且工作可靠的振荡翼式捕能装置提供科学的理论指导。本文以Fluent数值仿真为主,分别对主动、半主动和完全流体诱导振荡运动模型进行研究。基于主动振荡运动模型,使用样机进行风洞实验,比较了实验与数值结果,若考虑到实验中各因素引起的误差,数值结果与实验结果能够较好的吻合。不同展弦比水翼的数值结果表明,翼尖涡的影响主要集中在距水翼端面一倍弦长范围内。振荡翼捕能装置通常采用大展弦比水翼,翼尖涡对整体的水动力性能的影响较小,在水翼的端面处安装端板可进一步减弱翼尖涡的影响。针对流体激励的半主动与完全流体诱导振荡运动模型,理论计算了水翼的附加质量及附加质量矩。针对基于弹簧-阻尼系统的半主动运动模型,使用Runge-Kutta法在Fluent中迭代求解水翼的升沉运动响应,给出了高雷诺数下振荡翼的能效在俯仰运动参数区间的分布云图。当两个水翼呈顺列式布置时,水翼间存在流场干涉,积极的尾涡干涉通常发生在高振荡频率下,不具有实际应用意义,而消极的尾涡干涉会增大水翼的扫掠高度,降低系统的捕能效率。相比于弹簧-阻尼系统,基于液压系统的振荡翼模型更符合实际,通过Fluent-AMESim联合仿真实现水翼水动力与液压系统性能的整体建模分析,与弹簧-阻尼系统的升沉运动响应不同,水翼在升沉运动端点附近会出现静止现象。为了系统的稳定性,在液压系统中增加弹簧元件,当弹簧的劲度系数较小时,不规则的升沉运动响应导致系统的捕能效率降低。液压缸与负载参数对升沉运动响应影响明显,但对水动力性能影响有限。针对单个水翼在振荡运动过程中存在死点的问题,使用液压管连接水翼的俯仰运动与另一水翼的升沉运动以实现两个水翼联动,并建立了水翼运动与水动力的数学耦合方程,利用Runge-Kutta法在Fluent中迭代求解了水翼的运动响应。系统的响应是其固有属性,水翼的初始俯仰角对系统响应的影响较小。根据液压系统参数匹配性,水翼的振荡运动会出现衰减响应、不稳定响应及稳定响应,小的α（摆动缸相关的系数）与β（摆动缸与升沉液压缸直径比相关的系数）下,俯仰运动消耗较多的能量使水翼做阻尼衰减振荡运动,随着α与β的增加,水翼的响应由阻尼衰减振荡运动向不稳定响应至稳定响应转变。当两个水翼呈顺列式布置时,由于不存在强的尾涡干涉,因此上游水翼的时均功率系数总是高于下游水翼,但占系统总的时均功率系数比不超过60%。Fluent-AMESim联合仿真的结果进一步表明液压联动系统能够实现两个水翼的完全流体诱导振荡运动。相对于半主动和完全流体诱导振荡运动模型,主动运动模型对工况有更强的适应性。根据振荡翼的工作原理,基于翼板结构、运动方式及流场速度分别提出了可摆动前缘板、非简谐俯仰运动和聚流板模型以提高振荡翼捕能性能。只有在大俯仰振幅和高振荡频率下,与翼板主体运动的相位差为180°时,摆动前缘板才能通过调节有效攻角,提高振荡翼的升力。非简谐俯仰运动可使翼板在较长的时间内维持较大的攻角,提高振荡翼所能达到的最大功率系数。聚流板能够增大流经翼板流体的速度,导流罩式聚流板能够提高振荡翼的功率系数但会降低捕能效率,扩散器式聚流板对振荡翼功率系数的提升更明显,将振荡翼的最高捕能效率提升20%。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第1章 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 存在的主要问题
•   1.4 本文的研究方法
•   1.5 研究内容及章节安排
•     1.5.1 研究内容
•     1.5.2 章节安排
• 第2章 振荡翼的捕能机理
•   2.1 振荡翼的捕能机理
•   2.2 振荡翼的运动模型
•   2.3 水翼运动时的附加质量
•   2.4 振荡翼的实验与数值研究
•     2.4.1 实验样机
•     2.4.2 数据采集与处理
•     2.4.3 数值模型及验证
•     2.4.4 实验与数值结果比较分析
•   2.5 翼端效应的影响
•   2.6 本章小结
• 第3章 半主动振荡运动模型的捕能性能
•   3.1 半主动振荡运动模型的工作原理
•   3.2 基于弹簧-阻尼系统振荡翼的捕能性能
•     3.2.1 水翼的升沉运动响应
•     3.2.2 系统的捕能性能
•   3.3 顺列式布置时水翼间的尾涡干涉
•     3.3.1 双水翼的阵列布置
•     3.3.2 典型的升沉响应
•     3.3.3 消极的尾涡干涉
•     3.3.4 积极的尾涡干涉
•     3.3.5 系统的捕能性能
•   3.4 基于液压系统振荡翼的Fluent-AMESim联合仿真
•     3.4.1 联合仿真模型
•     3.4.2 联合仿真模型的验证
•     3.4.3 振荡频率的影响
•     3.4.4 弹簧的影响
•     3.4.5 液压缸容积的影响
•     3.4.6 旋转负载的影响
•   3.5 本章小结
• 第4章 完全流体诱导振荡运动模型的捕能性能
•   4.1 双水翼液压联动系统的工作机理
•   4.2 数学与仿真模型
•     4.2.1 数学模型
•     4.2.2 仿真模型
•   4.3 基于液压联动系统振荡翼的捕能性能
•     4.3.1 初始条件对系统响应的影响
•     4.3.2 系统响应的类型
•     4.3.3 液压系统参数的匹配性
•   4.4 水翼顺列布置时系统的响应
•   4.5 液压联动系统的Fluent-AMESim联合仿真
•     4.5.1 联合仿真模型
•     4.5.2 联合仿真的结果
•   4.6 本章小结
• 第5章 振荡翼捕能性能提高机制研究
•   5.1 基于翼板结构的提高机制
•   5.2 基于运动规律的提高机制
•   5.3 基于流场速度的提高机制
•   5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
•   6.1 主要结论
•   6.2 创新点
•   6.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表

文章来源

类型: 博士论文

作者: 马鹏磊

导师: 张建华

关键词: 振荡翼,水动力,捕能,液压联动系统,联合仿真

来源: 山东大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,新能源,电力工业

单位: 山东大学

基金: 国家自然科学基金,山东省科技发展计划

分类号: TM612;P743.3

DOI: 10.27272/d.cnki.gshdu.2019.000199

总页数: 155

文件大小: 18850K

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