水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究

发布时间：2017-07-14 11:02

  本文关键词：水平轴潮流能水轮机仿生鲨鱼鳍叶片的设计及水动力性能研究

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【摘要】：近年来,潮流能的开发越来越受人类重视,水轮机作为获取潮流能的常用装置,它能将潮流能转化为叶片旋转的机械能进而通过发电装置产生电能。叶片作为水轮机获能的关键部件,其性能直接决定水轮机的获能效率,翼型又是构成叶片的基本元素,因此翼型的选取在获能研究中十分重要。本文从仿生学出发,在水轮机叶片仿形技术的基础上,拟将鲨鱼鳍翼型的优异水动力性能应用到仿生翼型叶片和组合翼型叶片的设计上,以期改进水轮机的性能。论文以鲨鱼鳍为翼型获取对象,利用逆向工程技术将三维扫描点云进行处理,得到鲨鱼胸鳍和尾鳍的构型曲面,然后应用Solid Works三维建模软件按一定比例截取鱼鳍不同位置的翼型。再经过Profili软件选择高升阻比或高扭矩系数的翼型,得到最优仿生翼型和组合叶片翼型。然后结合叶素动量理论、Wilson叶片设计理论以及基于Mat lab的叶片参数优化和坐标变换等过程,生成仿生叶片和组合翼型叶片,进而建立起仿生鲨鱼鳍水轮机模型。数值模拟是从仿真的角度分析水轮机的性能。论文采用CFD方法,其过程包括网格划分、求解计算、后处理等。其中网格划分采用Gambit软件,并按要求进行流体域、旋转域的设置;求解计算和后处理部分采用专业流体分析软件Fluent进行处理。然后在变桨距情况下下对仿生叶片、组合翼型叶片和常规翼型叶片进行水动力性能的对比分析并得到如下结论：在额定转速、额定流速下,仿生叶片和组合叶片分别在桨距角为70。和60。时,叶轮对转轴的扭矩达到最大值,且均大于常规翼型叶片,比较前两者又可确定仿生叶片性能最佳。同时还分析了不同叶片的压力场和速度场云图,并得到了相应结论。在数值模拟的基础上,论文设计了无线遥控舵机控制的变桨系统,设计包括：变桨距力矩及传动方式的研究、系统原理图设计、三维造型等过程。然后进行了仿生叶片和组合叶片模型的加工、变桨系统的制造与装配以及实验设备、实验方案的制定等,最终将通过下水实验的方式对几种叶片构成的水轮机进行水动力性能的测试,并达到预期的实验效果：实验结果与数值模拟结果相差不大,趋势变化一致,并能得到额定流速下不同桨距角对应的水轮机转速这一重要数据。总之,本文的研究为水轮机叶片仿生翼型的选择提供了参考,为潮流能水轮机叶片的设计提供了新的思路,揭示了仿生学在工程设计中的重要应用,对开发利用和推广海洋能具有一定的指导意义。同时,论文的研究方法和数据结论也为仿生学应用于潮流能水轮机的后续研究提供了参考价值。
【关键词】：潮流能 水轮机 仿生鲨鱼鳍 翼型 变桨系统
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK730.3
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 研究背景12-13
• 1.2 水平轴潮流能水轮机及叶片设计现状13-15
• 1.2.1 潮流能水轮机的发展现状13-15
• 1.2.2 水轮机叶片设计现状15
• 1.3 仿生技术在叶片设计中的发展及应用15-18
• 1.3.1 仿生技术在风力机叶片中的应用16-17
• 1.3.2 水轮机仿形技术17-18
• 1.4 研究目的及内容18-22
• 1.4.1 课题来源18
• 1.4.2 课题研究目的18
• 1.4.3 课题研究内容18-19
• 1.4.4 研究路线19-22
• 2 鲨鱼鳍翼型选取22-37
• 2.1 翼型简介22-23
• 2.1.1 翼型几何特征22
• 2.1.2 翼型的发展22-23
• 2.2 鲨鱼鳍扫描点云的处理23-25
• 2.3 鱼鳍不同位置翼型的截取25-28
• 2.3.1 文件格式的转化及导入25-26
• 2.3.2 翼型段的选取26
• 2.3.3 仿生翼型截取26-28
• 2.4 Profili选型28-36
• 2.4.1 仿生叶片翼型的选取28-32
• 2.4.2 组合叶片翼型的选取32-36
• 2.5 本章小结36-37
• 3 叶片设计及优化37-56
• 3.1 叶素动量理论37-39
• 3.2 涡流理论39-40
• 3.3 叶素获能计算40-42
• 3.4 叶片设计方法42-45
• 3.4.1 叶片设计理论42-43
• 3.4.2 设计工况选择43-45
• 3.5 叶片参数优化45-54
• 3.5.1 基于MATLAB优化模型的建立45-47
• 3.5.2 优化界面的创建47-49
• 3.5.3 翼型坐标变换49-52
• 3.5.4 两种叶片坐标的输出52-54
• 3.6 仿生叶片和组合叶片模型的建立54-55
• 3.7 本章小结55-56
• 4 数值模拟56-67
• 4.1 CFD分析56-61
• 4.1.1 CFD方法简介56-57
• 4.1.2 CFD数学模型57-58
• 4.1.3 物理模型网格划分58-59
• 4.1.4 Fluent分析计算59-61
• 4.2 水轮机变桨数值模拟61-63
• 4.2.1 仿生叶片水轮机变桨距模拟61-62
• 4.2.2 组合叶片水轮机变桨距模拟62-63
• 4.2.3 两种叶片模拟值的对比63
• 4.3 叶轮流场特性分析63-66
• 4.3.1 速度场分析63-64
• 4.3.2 压力场分析64-66
• 4.4 本章小结66-67
• 5 变桨系统设计制造及水轮机实验方案设计67-76
• 5.1 无线变桨控制系统67-70
• 5.1.1 变桨原理67-68
• 5.1.2 变桨系统力矩研究68
• 5.1.3 变桨系统传动方式68-69
• 5.1.4 无线遥控变桨系统的综合设计69-70
• 5.2 模型加工制造70-72
• 5.2.1 叶片3D打印70-71
• 5.2.2 变桨系统加工与装配71-72
• 5.3 水轮机下水实验方案设计72-75
• 5.3.1 实验设备72-75
• 5.3.2 实验目的75
• 5.3.3 实验步骤75
• 5.4 本章小结75-76
• 6 总结与展望76-78
• 6.1 主要研究工作及结论76-77
• 6.2 论文创新点77
• 6.3 不足与展望77-78
• 参考文献78-82
• 致谢82-83
• 个人简历83-84
• 附录84

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本文编号：540782