潮流能发电场尾流场数值模拟及其多机组影响规律研究

发布时间：2020-05-08 06:35

【摘要】：潮流能是一种非常有发展潜力的可再生能源，潮流能发电技术已经从海上工程样机示范阶段逐渐步入商业化应用阶段，一批大型的潮流能发电场正处于规划建设当中，而优化潮流能转换装置的布局是完成潮流能发电场建设的关键环节之一，其直接关系到潮流能发电场的经济效益。潮流能发电机组的纵向间距如果太小，则沿水流流动方向，上游机组会对下游机组将产生较大的尾流影响，致使下游水轮机的输出功率减少。此外，由于水轮机尾流中存在湍流流动，还会造成水轮机机组的损坏，，降低水轮机机组的使用寿命。因此，需要根据潮流能资源的分布、水轮机机组的特性以及尾流效应等方面对潮流能发电场进行优化布局。本文通过结合数值模拟与模型试验方法，研究上游水轮机对下游水轮机的影响，同时对发电场中水轮机的不同布置方式进行了研究，具体研究的内容为：首先，分析国内外潮流能开发利用技术的研究现状，总结潮流能开发利用的一般过程，包括潮流能转换装置的模型试验阶段、潮流能示范工程阶段以及潮流能发电场阶段，明确发电场中潮流能发电装置布放的研究是必然的趋势。其次，运用CFD软件对水平轴水轮机进行三维稳态数值模拟，得出静压分布、速度分布以及湍流分布特性图，分析总结潮流能水轮机尾流场效应的研究方法。对水轮机机组的纵向布置和交错布置方式进行研究，根据水动力学原理以及数值计算方法，模拟水轮机机组的两种布置方式，对比分析流场中压力、速度和湍流的分布情况。同时给定相同的水流强度及方向，在0-35D范围内调整水轮机机组的纵向间距，得到纵向布置与交错布置的推力系数CT，进而得出两种布置方式下水轮机机组间的相互影响规律。最后，对水轮机模型进行流场试验，测得单个水轮机模型尾流场中速度变化的数据和多机组在不同布置方式下流场中速度变化的数据，再将试验数据分析结果与数值模拟结果进行对比，进一步验证CFD软件得出的结论，同时也为下一步工程化应用研究奠定基础。
【图文】：

CFD模拟,阵列

图 1-1 用于 CFD 模拟的阵列布置大学海洋能研究组 R. Malki[6]等人研究了潮流能水用叶素动量-计算流体力学（BEM-CFD）方法模拟流经过两个上游水轮机之后，预测尾流的流动结构性能的影响。考虑纵向间距在 1~10 倍水轮机直径 1.5~5 倍的水轮机直径范围内。很明显可得，与自察到流速比较低，与转子横向临近区则会有较高流影响初始尾流区域内会有明显的负加速度。旁边相因此，流速会有所增加，阵列中纵向间距较小的（轮机将会受益于这一特点，接着尾流会恢复稳定，完全恢复。如果上游水轮机横向间距太小，水轮机横向间距较大，则影响反之，同样的下游水轮机也流的加速。

示意图,多机组,布置方式,示意图

（1）分析总结国外潮流能发电工程的开展现状，并结合我国海域的实际情况，展开我国潮流能示范工程的建设规划，将海洋环境影响的评估、获能装置的固定方式、数据采集监测单元、电力变换与传输、能源管理系统等做成标准化的模块。（2）运用 CFD 软件对潮流能发电场中水平轴水轮机进行三维稳态数值模拟，得出尾流场中静压分布、速度分布以及湍流分布的特性图，分析总结潮流能水轮机尾流场效应的研究方法。（3）对于潮流能发电场中多机组布置方式的研究，根据水动力学原理以及数值计算方法，采用非结构网格进行划分计算区域，给定适当的边界条件以及有效的湍流模型模拟水轮机机组两种不同布置方式的流场，如图 1-2 所示，对不同流场的压力、速度和湍流情况展开研究与分析，在相同水流强度及方向的情况下，通过调整横向与纵向间距，比较纵向布置与交错布置得到的获能系数CT，最终得出定性结论。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：P743

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