低含沙水流水平轴潮流能水轮机水动力特性研究

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3、？论文答辩委员会签字：而定為Ｉ—？ｚｚｚｚｚ豚二义裏為＇＇＂＇年答辩曰期：月心曰心ｒＩ嚴５摘要我国潮流能储量约占全球的14%，浙江舟山群岛海域受水道的束流作用，潮流平均流速达到2～3m/s。并且该海域水道利用岛屿的保护，海况平稳，易于开发。开发利用潮流能的关键技术是潮流动能的获取，最常用的设备是水轮机。水文资料表明，舟山海域平均含沙量约0.187～0.551g/L。流经水轮机的来流携带泥沙时，泥沙颗粒受水轮机旋转的影响，必然反作用于紊流脉动。尤其在流速和转速较高的情况下，水轮机盘面附近及近尾流区

4、处于湍流状态，颗粒的旋转将会加剧流场的脉动，形成许多漩涡，是消耗压能的根源，能量的损失导致水轮机输出功率下降，水力效率也下降。本文首先研究了亚临界雷诺数下的圆柱绕流和方柱绕流，探究低含沙水流对水中结构物的水动力特性的影响。低含沙水流的主体是悬移质，通过研究圆柱和方柱的受力探索悬移质对水流粘性系数的作用机制，通过分析柱体尾流区漩涡脱落规律和流场分析探求悬移质对水流紊动扩散的影响。并且，通过模型试验验证CFD方法的可靠性。继而查阅水轮机设计的方法，计算水轮机叶片参数，通过翼型设计软件Profili，分析翼型动力特性，选用高升阻比的N

5、A63A614，确定各叶素的攻角，MATLAB编程计算叶片参数，对安装角和弦长重新优化。经MATLAB计算的三维坐标导入三维建模软件SolidWorks，得到叶片的三维实体。基于低含沙水流对圆柱和方柱绕流的作用机理的初步认识，对水平轴潮流能水轮机在低含沙水流中的表现展开探索。在二维绕流研究的基础上，利用CFD对潮流能水轮机在清水和浑水的表现进行对比分析。着重分析水轮机清水和含沙流场的静压、流线、叶尖涡、涡量强度等水动力参数，初步揭示了水轮机在低含沙水流下的特性。沙粒自进入流场即影响流场静压，尤其是叶片表面I和近尾流区。沙粒的旋转

6、影响涡量强度，破坏叶尖涡的形状。颗粒对水轮机水动力参数有显著的影响，含沙浓度高，流体粘性增强，轴向推力增大；含沙浓度高，颗粒的旋转和碰撞也更加剧烈，消耗压能，水轮机的输出功率低，某含沙量8%海况的水轮机功率比无沙海况降幅可达20%。低含沙水流对流速的影响体现在远尾流区，含沙浓度高流速在远尾流区的稳定值也略大。关键词：低含沙水流；水动力特性；水平轴水轮机；数值模拟；模型试验IIABSTRACTThetidalcurrentenergyofourcountrycanaccountforabout14%oftheworld.Thebe

7、amoftheZhoushanarchipelagointheZhejiang,thetidalofaverageflowrateisupto2~3m/s.Andtheseaissmooth,easytodevelopattheprotectionoftheuseofislandsintheseaarea.Thekeytechnologyofdevelopingandutilizingtidalcurrentenergyistheacquisitionofthekineticenergyofthetidalcurrent.The

8、mostcommonlyequipmentishydraulicturbine.ThehydrologicaldatashowsthattheaveragesedimentconcentrationinZhoushanseaisabout0.187~0.551g